Il calore è il trasferimento di energia al o dal corpo in forme diverse dal flusso di materia o dal lavoro (trasferimento di energia organizzato, come la spinta).

La temperatura è solo una proprietà ben definita per un collettivo corpo (non saresti in grado di dirmi la temperatura di un singolo atomo, per esempio). Come hai detto, è la proprietà della materia che descrive la quantità di energia cinetica delle particelle nel corpo. Per quanto riguarda il motivo, chiederei: cosa succede a 0 assoluto?

A 0 assoluto, il calore si è trasferito fuori dal sistema così tanto che non è possibile abbassarlo l'energia del sistema ancora.

(Nota per il lettore esperto: in effetti esiste ancora un fenomeno di meccanica quantistica - energia di punto zero - che impedisce ad una certa energia di lasciare la molecola, ma questa è una conversazione per un'altra volta).

Da una definizione termodinamica, la temperatura è la descrizione di come l'energia interna cambia con l'entropia per un sistema chiuso (non importa fluisce dentro o fuori) di volume costante:

$ T = \ left (\ frac {\ partial {U}} {\ partial {S}} \ right) _ {N, V} $ span>

Aumentando l'entropia del sistema di una quantità fissa, la temperatura del sistema mi dice di quanto aumenterà l'energia interna. Ora, questa non è una forma molto utile, poiché non puoi aumentare direttamente l'entropia di un corpo (devi aggiungere energia e poi lasciare che l'entropia aumenti indirettamente). È molto più utile considerare la temperatura inversa:

$ \ frac {1} {T} = \ left (\ frac {\ partial {S}} { \ partial {U}} \ right) _ {N, V} $

Allo zero assoluto, tutto è nello stato di energia più bassa. Qualsiasi piccolo trasferimento di energia al sistema si tradurrà in un grande aumento dell'entropia. Ma questo era solo un piccolo cambiamento, quindi l'energia interna non aumenta di molto. Confronta con un sistema a temperatura ambiente, dove devo trasferire molta più energia al sistema per ottenere la stessa grandezza di aumento dell'entropia.

Temperatura vs energia cinetica

[OP:] Ho letto in molti punti che la temperatura è l'energia cinetica media delle particelle presenti in un oggetto.

La temperatura ha a che fare con l'energia cinetica media delle particelle, ma dire che i due concetti sono gli stessi non è corretto. Ciò che è corretto è che se le particelle in due campioni di gas mono-atomici hanno la stessa energia cinetica media, avranno la stessa temperatura. Per i campioni che non sono gas mono-atomici, vedere Quali sono i gradi di libertà che definiscono la temperatura di un solido ionico (come l'azoturo di sodio)?.

[OP:] Semplicemente non capisco intuitivamente come l'energia cinetica sia collegata alla temperatura.

Se hai un gas in un contenitore (come l'aria in una stanza), le molecole di gas entrerà in collisione con le pareti. Se le pareti sono più fredde del gas (come il vetro di una finestra fredda in inverno), queste collisioni rallenteranno mediamente le particelle di gas, diminuendo la temperatura del gas. Se le pareti sono più calde del gas (come il vetro di una finestra in estate), queste collisioni accelereranno mediamente le particelle di gas, aumentando la temperatura del gas. Poiché l'energia (e la quantità di moto per le collisioni elastiche) viene conservata, i cambiamenti nella temperatura del gas si rifletteranno in cambiamenti opposti nella temperatura delle pareti (l'entità del cambiamento non sarà la stessa, dipende dalle capacità termiche).

Calore vs temperatura

[OP:] E allora come è collegato il calore con la temperatura?

Il calore è il trasferimento di energia termica. Se non succede nient'altro, il calore trasferito dal campione A al campione B andrà di pari passo con un calo della temperatura di A e un aumento della temperatura di B. Vedi anche: https://chemistry.stackexchange.com/a / 112057

Definizione di temperatura

[OP:] Allora cos'è esattamente la temperatura? Tutte le descrizioni fornite online sono molto confuse.

In termini più semplici, è ciò che si misura dopo aver messo un termometro a contatto termico con il campione. La parte sensibile del termometro (bulbo di mercurio o alcool, termocoppia, ecc.) Deve raggiungere la stessa temperatura del campione. Il campione dovrebbe essere molto più grande del sensore in modo che portandoli a contatto non cambi in modo significativo la temperatura del campione. La temperatura misurata dal termometro è uguale alla temperatura del campione perché sono in equilibrio termico (lo scambio termico è zero), e il termometro ha alcune proprietà che cambiano con la temperatura (come il volume di alcol) per percepirne temperatura. Vedi anche: Misura della temperatura

La definizione quantitativa della temperatura è data nella definizione ufficiale della sua unità SI Kelvin:

Il kelvin, simbolo $ K $ , è l'unità SI della temperatura termodinamica. È definito assumendo il valore numerico fisso della costante di Boltzmann k come $ \ pu {1.380649e − 23} $ quando espresso nell'unità $ \ pu {JK − 1} $ , che è uguale a $ \ pu {kg m2 s − 2 K − 1} $ span >, dove il chilogrammo, il metro e il secondo sono definiti in termini di $ h $ , $ c $ e $ Δν_ {Cs} $ .

Questa definizione richiede molta chimica fisica per essere compresa. Tuttavia, a volte è formulato come:

Un kelvin è uguale a un cambiamento nella temperatura termodinamica $ T $ che si traduce in un cambio di energia termica $ kT $ da $ \ pu {1.380 649e − 23 J} $ .

Quindi, se l'energia termica (media per particella, non indicata sopra) aumenta, la temperatura sale.

La temperatura è correlata all'energia cinetica, ma non può essere semplicemente equiparata all'energia cinetica media del sistema. Come ho scritto in risposta a un'altra risposta, sistemi diversi possono avere energie / particelle cinetiche medie diverse, ma la stessa temperatura. Ad esempio, alla stessa temperatura la media. La particella cinetica / energetica di un gas biatomico è maggiore di quella di un gas monoatomico, perché le particelle di gas monoatomico hanno solo energia cinetica traslazionale, mentre le particelle biatomiche avranno la stessa energia cinetica traslazionale media, ma anche energia cinetica rotazionale e vibrazionale.

Quello che puoi dire, tuttavia, è che la temperatura è una misura dell'energia cinetica media per grado di libertà disponibile , $ \ langle H_ {kin, DOF} \ rangle $ :

$$ \ langle H_ {kin, DOF} \ rangle = 1/2 N k_B T / f, $$ dove $ f $ è la disponibilità frazionaria del grado di libertà.

Quindi possiamo scrivere:

$$ T = \ frac {2 \ langle H_ {kin, DOF} \ rangle} {N k_B f} $$

Considera di nuovo un gas monoatomico e biatomico. A basse temperature, i gradi di libertà vibrazionali potrebbero non essere completamente disponibili, ma i gradi di libertà traslazionali saranno (quindi, per ciascuno dei tre gradi di libertà traslazionali, $ f = 1 $ ). Alla stessa temperatura, la media KE / particella dei due gas sarà diversa. Tuttavia, per entrambi i gas, il KE medio per particella per grado di libertà di traslazione sarà lo stesso!

In termodinamica, la base per una definizione di temperatura è fornita dalla $ 0 ^ {\ text {th}} $ Legge: due corpi indipendentemente in equilibrio termico con un terzo corpo sono in equilibrio termico tra loro. L'equilibrio termico permette la definizione della temperatura: si dice che due corpi in equilibrio termico si trovano alla stessa "temperatura".

La legge $ 0 ^ {\ text {th}} $ è utile perché fornisce un mezzo per determinare se due sistemi che non sono in termica il contatto sarebbe in equilibrio termico se messo in contatto. Questa proprietà transitiva dell'equilibrio termico fornisce un metodo per classificare i sistemi, ad esempio portandoli separatamente in contatto termico con un corpo di riferimento. Un termometro rappresenta un tale corpo di riferimento. È progettato per scambiare energia solo termicamente, non tramite lavoro. Una misura pratica della temperatura (una scala) può essere fornita da una proprietà intensiva osservabile del termometro che definisce lo stato del termometro. Se il termometro indica la stessa "temperatura" quando è in contatto con due corpi diversi, allora quei due corpi sono in equilibrio termico (o lo sarebbero se posti in contatto termico).

Una volta impostata una scala di temperatura utilizzando lo stato di un termometro come riferimento, la prossima domanda a cui rispondere è: cosa succede quando due corpi a temperature diverse vengono posti in contatto termico? Per rispondere a questo invochiamo la prima legge. La prima legge definisce l'additività di diverse forme di energia (calore e lavoro). Il calore è il cambiamento nell'energia interna degli oggetti quando si equilibrano in contatto termico, lavoro assente. La prima legge fornisce anche un modo per misurare il "calore" mettendolo in relazione con una quantità equivalente di lavoro. Ad esempio, il lavoro elettrico può essere utilizzato per modificare lo stato di una sostanza in un contenitore adiabatico rigido. La quantità di lavoro è equivalente al calore che risulterebbe nella stessa variazione di temperatura della sostanza se il trasferimento di energia fosse stato eseguito termicamente e in assenza di lavoro :

$$ \ begin {align} \ Delta U & = w \ tag {adiabatic} \\ & = q \ tag {diatermico, rigido} \ end {align} $$

Si noti infine che esiste una scala di temperatura termodinamica basata sulla 2a legge (come corollario delle proprietà dell'entropia), ma in pratica ci affidiamo a scale il cui comportamento limitante (ideale) si avvicina a quello di la scala termodinamica.

La temperatura è l'energia cinetica media delle particelle che compongono un sistema. Questo è tutto, ed è corretto. Qualsiasi altra definizione, e ce ne sono molte di questa pagina, è equivalente o errata. Qual è il problema?