alt=Chaotická vibrace částic (molekul) rozmístěných ve struktuře části proteinu.|náhled|Vibrace segmentu proteinu alpha helix. Amplituda (rozkmit) se zvětšuje se vzrůstající teplotou látky. Teplota je základní fyzikální intenzívní stavová veličina popisující rovnovážný stav termodynamické soustavy. Je to zákldní veličina Mezinárodní soustavy jednotek SI. Člověk je schopen ji u předmětů a okolí přímo vnímat a mít pocity studeného, teplého či horkého. Teplota je důležitá v mnoha oborech přírodních věd, jako je fyzika, chemie, astronomie, lékařství, biologie, ekologie, metalurgie, strojírenství, geografie, materiálové vědy, vědy o Zemi a další.
V klasické termodynamice a kinetické teorii odráží teplota průměrnou kinetickou energii částic a poskytuje kvantitativní měřítko toho, jak je energie rozdělena mezi mikroskopické stupně volnosti.Atkins, Peter; de Paula, Julio. Physical Chemistry. Oxford University Press. 10th ed. (2014). Teplota tak odpovídá kinetické energii vibrujících a srážejících se atomů a molekul vytvářejících látku.
Charakteristika K měření teploty se používají teploměry. Teploměry jsou kalibrovány v různých teplotních stupnicích, které používají různé historické referenční body a definice jednotek. Nejpoužívanější jednotkou je v běžné praxi stupeň Celsia se značkou °C, který je velikostí roven kelvinu, ale liší se v nastavení nulového bodu teplotní stupnice. V angloamerických zemích je nejpoužívanějším stupeň Fahrenheita (°F). V soustavě SI je teplota jednou ze sedmi základní fyzikální veličin s plným názvem termodynamická teplota a jednotkou kelvin (K).
Teplota souvisí s vnitřní energií systému a je ústředním pojmem termiky. Projevuje se i v mnoha dalších fyzikálních jevech a závisí na ní mnohé makroskopické mechanické, elektromagnetické i chemické vlastnosti látek. Její význam zasahuje do širokého spektra oborů lidské činnosti, je důležitým pojmem např. v průmyslových aplikacích, lékařství a ekologii. V přírodních a technických vědách a jejich aplikacích je teplota skalární intenzivní stavová veličina, která je vzhledem ke svému statistickému charakteru vhodná k popisu stavu ustálených makroskopických systémů a jejich tepelných jevů.
Nejnižší teplota Nejnižší možnou teplotou je teplota absolutní nuly (0 K; −273,15 °C), ke které se lze libovolně přiblížit, avšak nelze jí dosáhnout, jak stanoví třetí termodynamický zákon, protože nelze odebrat energii v podobě tepla z tak chladné látky. V roce 2021 bylo dosaženo rekordně nízké teploty 38×10−12 K.
Motivace k zavedení teploty jako fyzikální veličiny Teplota jako pojem byla primárně zavedena pro podnět či příčinu určitého druhu smyslových pocitů a podráždění. Zde má původ i její mezinárodní název (latinské slovo „temperatura“ lze přeložit jako „příjemný pocit“). Již potřeba popsat lépe tyto pocity vedla ke snahám kvantifikaci a měření teploty.
Postupně bylo pozorováno, že zvýšení teploty působí změnu rozměrů, tvaru nebo skupenství předmětů. Tyto jevy tak umožňovaly pomocí viditelných projevů indikovat velikost teploty a začít ji měřit.
Nejprve se začalo používat měření teploty pomocí roztažnosti kapalin. První doklady jsou ze starověku. Hérón Alexandrijský popsal vzduchový termoskop, který je nejstarším doloženým přístrojem k indikaci tepelných stavů. Základ pro moderní a přesné měření později poskytly závislosti elektrických jevů na teplotě.
Označení, jednotky Symbol veličiny: , přičemž velké symboly se zpravidla používají pro termodynamickou (absolutní) teplotu Jednotkou v soustavě SI (a zároveň základní jednotkou této soustavy) je kelvin, značka K.Kelvin je definován fixací číselné hodnoty Boltzmannovy konstanty, aby byla rovna 1,380 649 × 10−23, je-li vyjádřena jednotkou J K−1, rovnou kg m2 s−2 K−1, kde kilogram, metr a sekunda jsou definovány pomocí (frekvence záření odpovídajícího hyperjemného přechodu z neporušené základní hladiny v atomu césia 133Cs) a dvou fundamentálních konstant (Planckova konstanta), (rychlost světla ve vakuu).Do května 2019 byl kelvin definován jako 273,16. část termodynamické teploty trojného bodu vody.
Dalšími používanými jednotkami jsou: stupeň Celsia; teplotní rozdíl 1 °C = 1 K, avšak Celsiova stupnice je posunutá: 0 °C odpovídá přesně 273,15 K, což je přibližná teplota tání ledu, zatímco 100 °C (373,15 K) je přibližná teplota varu vody. Teplotami tání a varu vody při tlaku 101,325 kPa = 1 atm byla Celsiova stupnice původně (do roku 1948)Resolution 3 of the 9th CGPM (1948) . Mezinárodní úřad pro míry a váhy. definována. stupeň Fahrenheita (používaný v USA); teplotní rozdíl 1 °F = 5/9 °C = 5/9 K; Fahrenheitova stupnice je také posunutá, ale jinak: 0 °C odpovídá 32 °F. Z jednotek přirozených soustav lze uvést Planckovu teplotu 1,416 784(16) × 1032 K,2018 CODATA recommended values – Planck temperature. Archivováno 2019-09-22. kde a označují postupně rychlost světla ve vakuu, redukovanou Planckovu, Newtonovu gravitační a Boltzmannovu konstantu. Ve fyzice plazmatu se teplota vyjadřuje také jako energie (součin Boltzmannovy konstanty a teploty) uváděná v elektronvoltech (eV) nebo jeho násobcích (keV, MeV). Energie 1 eV tak odpovídá teplotě přibližně 11 605 K.
Definice a vlastnosti
Zavedení teploty na základě roztažnosti a rozpínavosti Z pozorování vyplynulo, že vnímání teplejšího a chladnějšího koresponduje se změnou objemu látek: se zvýšeným pocitem teplého se objem zvyšoval. Roztažnost se stala měřítkem teploty, průběh se však lišil podle použité teploměrné látky. Bylo však objeveno, že průběhy jsou (při konstantním tlaku) vzájemně lineární pro zředěné plyny – ty se tak staly nejvhodnější teploměrnou látkou pro přesná měření. Lineární závislost umožnila přesnou kvantifikaci teploty jako fyzikální veličiny a vznik dobře definovaných teplotních stupnic, jako je Celsiova teplotní stupnice.
Navíc bylo zjištěno, že pro všechny dostatečně zředěné plyny je vždy směrnice závislosti objemu na Celsiově teplotě (při konstantním tlaku) stejná a rovná 1/(273,15 °C). Také rozpínavost plynů vykazovala stejné chování včetně číselné hodnoty směrnice závislosti tlaku plynu na teplotě (při konstantním objemu). To umožnilo s velkými výhodami zavést tzv. absolutní teplotu se stupnicí počínající hodnotou 0 K (odpovídající nulovému objemu a tlaku zředěného plynu).
Absolutní teplota je přímo úměrná objemu ideálního plynu při konstantním tlaku, resp. tlaku ideálního plynu při konstantním objemu.
Interpretace teploty v kinetické teorii Kinetická teorie umožnila vyjádření tlaku pomocí pohybových vlastností jednotlivých částic (molekul) plynu. Ve spojení se stavovou rovnicí dala absolutní teplotě konkrétní interpretaci – absolutní teplotě je úměrná střední kinetická energie neuspořádaného posuvného pohybu molekuly jednoatomového (ideálního) plynu: , kde je Boltzmannova konstanta (úhlovou závorkou značena střední hodnota), resp. vnitřní energie jednoatomového (ideálního) plynu: , kde je látkové množství a je molární plynová konstanta.
Absolutní teplota je mírou vnitřní energie ideálního plynu. Tato interpretace má však svá omezení:
Teplota nemusí být mírou velikosti pouze neuspořádaného posuvného pohybu molekul (u víceatomových molekul se projevují rotace, a také vibrace se stupni volnosti odpovídajícími potenciální energii); při nízkých teplotách, kdy začnou převládat kvantové vlastnosti, navíc ekvipartiční teorém přestává platit: některé stupně volnosti kvůli diskrétnosti energetických stavů tzv. „zamrzají“.
Energie dodávaná soustavě se může předávat nejen pohybu částic, ale i přeměnit ve změnu jejich potenciální energie, a to nejen vůči vnějšímu působení, ale i vnitřním silám, nebo v nárůst („rozmrzání“) stupňů volnosti (v obou případech přírůstek vnitřní energie bez zvýšení teploty; druhý případ známý u skupenských přeměn); závislosti vnitřní energie a teploty se tak mohou velmi lišit: Zatímco pro jednoatomový plyn platí závislost vnitřní energie na první mocnině teploty, u energie elektronového plynu je to závislost na druhé mocnině teploty a u pevných látek při nízké teplotě a u fotonového plynu dokonce čtvrté mocnině teploty.
Kinetická teorie také dokázala kvantifikovat lokální fluktuace v ustáleném systému a stanovit kvadratickou neurčitost teploty; pro jednoatomový plyn např. platí: , tedy relativní kvadratická neurčitost klesá s druhou odmocninou počtu částic . Teplota je pojem statistický, který je vhodný k popisu chování systémů s velkým počtem částic, pro který jsou lokální fluktuace zanedbatelné.
Termodynamické zavedení teploty Teplota je vnitřní, stavovou, intenzivní termodynamickou veličinou. Fenomenologická termodynamika zavádí empirickou teplotu (a dokazuje, že ji lze pro ustálené termodynamické systémy zavést) jako libovolnou monotónní funkci vnitřní energie homogenního ustáleného systému, která nezávisí na jiném vnitřním parametru systému a která má stejnou hodnotu ve všech jeho subsystémech (dle konvence se vybírá jako rostoucí funkce vnitřní energie). Zpřesňuje pojem měření teploty jako uvedení soustavy „měřený systém – teploměr“, ve které je umožněna tepelná výměna, do tzv. termodynamické rovnováhy, pro kterou postuluje (tzv. nultý termodynamický zákon, zvaný dříve nultá hlavní věta termodynamická):
Dva systémy v tepelném kontaktu mají v případě termodynamické rovnováhy stejnou teplotu. Rovnost teploty je přitom vlastností tranzitivní: rovná-li se teplota prvního a druhého systému v tepelném kontaktu a rovná-li se teplota druhého a třetího systému v tepelném kontaktu, rovná se i teplota prvního a třetího systému; tyto systémy budou při uvedení do tepelného kontaktu také ve stavu termodynamické rovnováhy.
Teplota je tedy stavová veličina charakterizující termodynamickou rovnováhu systému. Jinak řečeno, ze znalosti teplot dvou systémů můžeme usoudit, zda při uvedení do tepelného kontaktu budou ve stavu termodynamické rovnováhy, nebo zda a jakým směrem bude probíhat přenos tepla.
Definice teploty pomocí druhého zákona termodynamiky Z druhého zákona termodynamiky vyplývá (tzv. Carnotova věta), že účinnost všech vratných Carnotových cyklů pracujících mezi danými dvěma teplotami je shodná (tedy nezávislá na jiných vnitřních či vnějších parametrech ani pracovní látce) – lze ji zapsat jako funkci pouze těchto teplot . Z obecných úvah o vratných Carnotových cyklech pak lze psát: , kde je teplo přijaté od ohřívače, je teplo odevzdané chladiči, nějaká funkce obecné teploty.
Funkci nazval KelvinThomson W., Mathematical and Physical Papers, vol. I, Cambridge 1882, vol. II, London 1890 termodynamickou teplotou a namísto závislosti na obecné teplotě ji definoval právě pomocí vztahu pro účinnost přepsaného do tvaru: . Poměr dvou termodynamických teplot je rovný poměru tepla odevzdaného chladiči a tepla přijatého od ohřívače při vratném Carnotově cyklu pracujícím mezi těmito dvěma teplotami. Pomocí dvou bodů lze takto definovat celou termodynamickou teplotní stupnici. Jeden z bodů – nulová termodynamická teplota – je dán implicitně jako teplota chladiče, při které má vratný Carnotův cyklus účinnost 100%; tato teplota je však podle třetího zákona termodynamiky nedosažitelná.
Definiční vztah lze přepsat do tvaru a pomocí obecných úvah o vratných cyklech zobecnit na vztah , platný pro libovolný vratný děj.
Z něho vyplývá alternativní formulace definice termodynamické teploty: Termodynamická teplota je převrácenou hodnotou integračního faktoru, kterým je třeba vynásobit diferenciální přírůstek tepla přijatého termodynamickým systémem při vratném ději, abychom dostali totální diferenciál (diferenciál entropie).
V případě, že se nekoná práce (zobecněné souřadnice, tedy vnější extenzivní parametry (např. objem) jsou konstantní) a nemění se počty jednotlivých druhů částic systému, lze vztah přepsat jako definiční vztah teploty pomocí entropie a vnitřní energie: .
Vztah obecné, absolutní a termodynamické teploty V termodynamice lze odvodit obecný vztah pro závislost termodynamické teploty na obecné empirické teplotě: