Em termodinâmica de equilíbrio, a temperatura é uma grandeza intensiva que caracteriza o estado térmico de um sistema. Ela pode ser definida pela relação entre energia interna e entropia, entre outras formulações equivalentes.Callen, H.B. (1960/1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics. 2.ª ed., John Wiley & Sons, New York, pp. 146–148. ISBN 0-471-86256-8. Na teoria cinética dos gases, para um gás ideal clássico em equilíbrio, a temperatura é proporcional à energia cinética translacional média de suas partículas. Essa relação é um caso particular e não constitui uma definição geral de temperatura para todos os sistemas.
A temperatura é medida com um termômetro. Os termômetros são calibrados em diferentes escalas de temperatura, que historicamente recorreram a pontos de referência e substâncias termométricas distintos. As escalas de uso mais comum são a Celsius, com o símbolo °C e anteriormente chamada de escala centígrada, a Fahrenheit, °F, e a Kelvin, K, esta última usada principalmente em ciência. O kelvin é uma das sete unidades de base do Sistema Internacional de Unidades, SI.
O zero absoluto, 0 K ou −273,15 °C, é a origem da escala Kelvin e o limite ao qual tendem os estados de temperatura positiva quando a energia térmica removível se aproxima de seu mínimo. Pela formulação de inatingibilidade da terceira lei da termodinâmica, o zero absoluto não pode ser atingido por um processo físico finito que disponha de recursos finitos. Na mecânica quântica, um sistema no limite de 0 K pode conservar energia de ponto zero e movimento de ponto zero, que não constituem movimento térmico.
Na formulação estatística usual baseada na entropia de Boltzmann, certos sistemas cujo espectro de energia possui limite superior podem admitir estados com temperatura negativa. Nessa convenção, esses estados são mais quentes que qualquer estado de temperatura positiva. A interpretação depende da definição estatística de entropia e foi objeto de debate na literatura.
Temperatura e calor não são a mesma grandeza. Calor é energia transferida entre sistemas em consequência de uma diferença de temperatura. Quando dois sistemas em contato térmico atingem a mesma temperatura, ficam em equilíbrio térmico e não há transferência líquida de calor entre eles.
A temperatura é usada em todos os campos das ciências naturais, entre eles física, química, ciências da Terra, astronomia, medicina, biologia, ecologia, ciência dos materiais, metalurgia, engenharia mecânica e geografia, além de muitos aspectos da vida cotidiana.
Efeitos miniatura|Variação diária média da temperatura corporal humana. miniatura|Mapa animado da temperatura média mensal do ar à superfície ao longo do ano.
Muitos processos físicos dependem da temperatura. Entre eles estão: as propriedades físicas dos materiais, como o estado físico da matéria, densidade, solubilidade, pressão de vapor, condutividade elétrica, dureza, resistência ao desgaste, condutividade térmica, resistência à corrosão e resistência mecânica; a velocidade e a extensão das reações químicas; a quantidade e as propriedades da radiação térmica emitida pela superfície de um objeto; a temperatura atmosférica, que afeta os organismos vivos; a velocidade do som, que em um gás ideal de composição fixa e com razão de capacidades caloríficas aproximadamente constante cresce com a raiz quadrada da temperatura absoluta, .
Escalas
miniatura|Dois termômetros mostrando temperaturas em Celsius e Fahrenheit.
Uma escala linear de temperatura precisa estabelecer o ponto escolhido como zero e o tamanho do incremento de temperatura.
A escala Celsius, °C, é usada para medições comuns de temperatura na maior parte do mundo. Sua forma moderna desenvolveu-se a partir de escalas históricas baseadas nas temperaturas de congelamento e ebulição da água. O intervalo entre esses pontos sob pressão atmosférica padrão levou ao nome "escala centígrada".Middleton, W.E.K. (1966), pp. 89–105. Depois da padronização do kelvin no Sistema Internacional de Unidades, a escala Celsius passou a ser definida em relação ao kelvin. Uma diferença de temperatura de um grau Celsius é exatamente igual a uma diferença de um kelvin, enquanto os valores das duas escalas diferem por um deslocamento exato de 273,15.
A escala Fahrenheit é de uso comum nos Estados Unidos. Sob pressão atmosférica padrão, o ponto de congelamento da água fica próximo de 32 °F e seu ponto de ebulição próximo de 212 °F.
Zero absoluto No limite do zero absoluto, um sistema em equilíbrio ocupa seu estado fundamental ou o conjunto de estados fundamentais permitido por sua estrutura quântica. A energia de ponto zero pode permanecer, mas não corresponde a energia térmica que possa ser eliminada por resfriamento.
O zero absoluto pode ser aproximado experimentalmente com grande precisão, mas não alcançado por um processo físico finito sob as condições da formulação de inatingibilidade da terceira lei. Em um experimento publicado em 2021, a energia cinética interna tridimensional de um condensado de Bose-Einstein foi reduzida a vezes uma temperatura equivalente de 38+6−7 pK. Esse valor caracteriza a energia cinética interna alcançada e não deve ser confundido, sem qualificação, com uma medição de temperatura de equilíbrio por um termômetro convencional.
O valor 0 K corresponde exatamente a −273,15 °C.
Escalas absolutas Com referência à constante de Boltzmann, à distribuição de Maxwell-Boltzmann e à definição estatística de entropia de Boltzmann, distinta de outras definições estatísticas de entropia,Jaynes, E.T. (1965), pp. 391–398. pode-se relacionar temperatura a distribuições microscópicas sem recorrer às propriedades de uma substância termométrica específica.
A escala Kelvin é uma escala absoluta usada na ciência e na tecnologia. O nome da unidade, kelvin, é escrito com inicial minúscula, e seu símbolo é K. Para sistemas usuais cujo espectro de energia não possui limite superior, os estados de equilíbrio térmico pertencem ao ramo de temperaturas positivas. Em sistemas com espectro superiormente limitado, certas formulações estatísticas também admitem temperaturas negativas.
A temperatura termodinâmica formulada por Lord Kelvin pode ser construída a partir de relações termodinâmicas macroscópicas, entre elas relações envolvendo entropia e máquinas térmicas reversíveis. Em nível microscópico, pode ser relacionada à mecânica estatística e às distribuições de estados. A antiga realização metrológica do kelvin recorria ao ponto triplo da água. Depois da redefinição de 2019, a temperatura desse ponto deixou de ser fixada por definição.
Escala Kelvin Muitas medições científicas usam a escala Kelvin, cujo símbolo de unidade é K e cujo nome homenageia Lord Kelvin. Seu zero corresponde ao zero absoluto.
Desde 20 de maio de 2019, o kelvin é definido fixando-se o valor numérico da constante de Boltzmann, kB, em exatamente 1,380 649 × 10−23 quando expresso em J K−1.
Escalas estatística e termodinâmica Desde maio de 2019, o tamanho do kelvin é definido pelo valor fixado da constante de Boltzmann. A temperatura termodinâmica pode ser realizada mediante métodos primários de termometria que relacionam propriedades físicas mensuráveis à temperatura.
Entre 1954 e 2019, o kelvin foi definido a partir da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água. Esse ponto era fixado em exatamente 273,16 K, enquanto o zero absoluto fornecia a origem da escala. Com a redefinição de 2019, 273,16 K deixou de ser um valor atribuído por definição ao ponto triplo e passou a ser uma quantidade obtida experimentalmente. O ponto de fusão do gelo à pressão atmosférica padrão fica muito próximo de 273,15 K, ou 0 °C.
Classificação das escalas As escalas de temperatura podem ser classificadas em empíricas e teóricas. As escalas empíricas surgiram primeiro. As escalas fundamentadas diretamente em argumentos teóricos começaram a ser desenvolvidas em meados do século XIX.Truesdell, C.A. (1980), seções 11 B e 11H, pp. 306–310 e 320–332.Quinn, T.J. (1983).
Escalas empíricas As escalas empíricas de temperatura recorrem diretamente à medição de propriedades físicas macroscópicas simples. O comprimento de uma coluna de mercúrio em um tubo capilar de vidro, por exemplo, depende em grande parte da temperatura e forma a base do termômetro de mercúrio. Essas escalas funcionam somente dentro de intervalos adequados à propriedade utilizada.
Acima do ponto de ebulição do mercúrio, um termômetro desse tipo deixa de ser prático. A maioria dos materiais se expande quando a temperatura aumenta, mas alguns, como a água, contraem-se dentro de determinados intervalos. Uma substância também pode deixar de ser adequada como material termométrico perto de uma transição de fase própria. Essas limitações fazem com que cada substância termométrica possua uma faixa útil de operação.
Apesar dessas limitações, muitos termômetros práticos são empíricos. Instrumentos desse tipo foram usados na calorimetria, que participou do desenvolvimento da termodinâmica. Como fundamento da física teórica, porém, a termometria empírica possui limitações. Um termômetro empírico pode ser recalibrado por relações físicas teóricas, ampliando o intervalo no qual suas leituras são adequadas.
Escalas teóricas As escalas teóricas de temperatura derivam diretamente de argumentos físicos, em especial da teoria cinética e da termodinâmica. Sua realização experimental é aproximada por instrumentos e materiais adequados. Elas fornecem padrões para calibrar termômetros empíricos.
Escala microscópica da mecânica estatística Na física, a escala convencional de temperatura adotada internacionalmente é a Kelvin. Sua definição fixa o valor da constante de Boltzmann. A constante estabelece a relação entre a unidade de temperatura e a unidade de energia. Isso não equivale a definir temperatura, em geral, como energia cinética média.
Fora o zero absoluto, a temperatura de um corpo em equilíbrio termodinâmico interno pode ser determinada medindo-se propriedades físicas para as quais existam relações teóricas precisas com a temperatura. Entre esses métodos estão a termometria acústica de gás, a termometria dielétrica, a termometria de índice de refração, a termometria de radiação absoluta e a termometria por ruído elétrico.
Em um gás ideal clássico, a temperatura é proporcional à energia cinética translacional média das partículas. Se moléculas, átomos ou elétrons forem emitidos por um material e suas velocidades forem medidas, o espectro pode aproximar a distribuição de Maxwell-Boltzmann, permitindo determinar a temperatura nos regimes em que essa distribuição se aplica.
A estatística de Fermi-Dirac também pode ser usada em termometria de sistemas eletrônicos. A espectroscopia de fotoelétrons já foi usada para determinar a temperatura termodinâmica de uma superfície a partir da distribuição eletrônica próxima à energia de Fermi.
Na termometria acústica de gás, frequências de ressonância ou a velocidade do som são medidas em um gás de propriedades conhecidas. No limite de baixa densidade, a velocidade do som relaciona-se à temperatura e às propriedades moleculares por relações derivadas da mecânica estatística. Medições de alta precisão podem ser extrapoladas para pressão zero para reduzir correções decorrentes da não idealidade do gás.
A medição do espectro de radiação eletromagnética de um corpo negro ideal também permite determinar sua temperatura. O comprimento de onda correspondente ao máximo da radiância espectral por unidade de comprimento de onda é inversamente proporcional à temperatura, relação expressa pela lei de Wien e derivada da lei de Planck.