טמפרטורה: גודל פיזיקלי תרמודינמי

ערך זה עוסק בגודל פיזיקלי. אם התכוונתם לשיר, ראו טמפרטורה (שיר).

מבחינה פיזיקלית ברמה האינטואיטיבית הטמפרטורה היא גודל המבטא את "רמת התנועה" של חלקיקי החומר ומהווה מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת של החלקיקים.

הטמפרטורה נמדדת במעלות, ביחידות מידה שונות. יחידות המידה הנפוצות הן פרנהייט (F°) וצלזיוס (C°). יחידה נוספת המשמשת בעיקר לצרכים מדעיים היא קלווין (K).

טמפרטורה הוגדרה במהלך ההיסטוריה בדרכים שונות, אך למעשה זהות מבחינה פיזיקלית:

טמפרטורה תרמומטרית

 

ההגדרה הראשונה לטמפרטורה היא הגדרה תרמומטרית, כלומר הגדרה שמנצלת מדידת תכונה מסוימת של החומר, שמשתנה עם הטמפרטורה, וכיולה בעזרת טמפרטורות ידועות. כך למשל הגדירו את הטמפרטורה בעזרת התרמומטר המוכר לנו שמנצל את תכונת ההתפשטות של החומר עם עליית הטמפרטורה, וקביעת סולם בו ידועות טמפרטורות מיוחדות.

אנדרס צלזיוס קבע ב-1742 את סולם הטמפרטורה שלו, באופן הפוך מהמקובל כיום. בזמנו הוא קבע ש-0 מעלות יציינו את רתיחת המים ולעומת זאת 100 מעלות את קפיאתם. רק כשנה לאחר מותו, ב-1745, הוחלף כיוון הסולם על ידי קארולוס ליניאוס. דבר זה מדגיש את שרירותיות הטמפרטורה התרמומטרית. אין משמעות פיזיקלית אמיתית לאפס של הסולם. גם החלוקה למעלות היא בעייתית, אם לא מובטח שהשינוי בגודל הנמדד (כמו גובה הנוזל בתרמומטר) אכן פרופורציונלי לטמפרטורה ה"אמיתית".

טמפרטורה תרמודינמית

התרמודינמיקה, שהתפתחה במאה ה-19, קושרת את הטמפרטורה למעבר חום אנרגיה תרמית. חום יזרום באופן ספונטני מגוף "חם" לגוף "קר" עד אשר שתי המערכות יגיעו לאיזון ויימצאו בשיווי משקל תרמי.

לפיכך מגדירים את הטמפרטורה כך שגופים שנמצאים בשיווי משקל תרמי נמצאים באותה טמפרטורה. אם חום זורם מגוף א' לגוף ב', גוף א' יהיה בטמפרטורה גבוהה יותר.

באופן מדויק יותר, הטמפרטורה מוגדרת בעזרת השינוי ההפיך בחום או השינוי באנטרופיה – מושג שהומצא בשביל להסביר את התכונה של חום לזרום מגוף בעל טמפרטורה גבוהה לגוף בעל טמפרטורה קרה. ההגדרה היא:

פיתוח הגדרה זו לטמפרטורה נבע במידה רבה מחקירת מנוע קרנו – מודל תאורטי למנוע המנצל מעבר חום בין מאגר חם למאגר קר בשביל לייצר עבודה, ביעילות הגבוהה ביותר האפשרית באופן תאורטי.

כאשר יש מערכת בה האנטרופיה היא פונקציה של האנרגיה, הטמפרטורה ניתנת על ידי:

הטמפרטורה היא גודל אינטנסיבי, כלומר אם ניקח שני גופים באותה טמפרטורה ונחבר אותם, הטמפרטורה בגוף המחובר תהיה אותה הטמפרטורה כמו בשני החלקים שהרכיבו אותו. זאת בניגוד לחום שהוא גודל אקסטנסיבי: כמות החום האצורה בגוף שמורכב משני גופים שווה לסכום כמויות החום האצורות בכל אחד מהגופים.

הטמפרטורה במכניקה הסטטיסטית

במכניקה סטטיסטית ניתן להשתמש בהגדרות הטמפרטורה של התרמודינמיקה. אולם בנוסף נחשפות עוד תכונות של הטמפרטורה, שנותנות מושג יותר עמוק על טבעה.

הטמפרטורה פרופורציונית לאנרגיה התרמית הממוצעת לדרגת חופש. כך בגז אידיאלי חד-אטומי, הטמפרטורה שווה לשני שלישים האנרגיה הקינטית הממוצעת של כל אטום.

התפלגות בולצמן מראה פן נוסף של הטמפרטורה.

תנאים סטנדרטיים של טמפרטורה ולחץ הם אוסף של טמפרטורות ולחצים שמשמשים בהגדרות מדעיות. כך למשל, בכימיה נהוג להשתמש בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס. בניגוד לרשימה מוגדרת זו, טמפרטורת החדר היא מושג שאינו חד-משמעי. טמפרטורת החדר מוגדרת בדרך כלל בתחום 20 עד 25 מעלות צלזיוס.

הטמפרטורה היא גודל ותכונה נפוצה מאוד במדע. כמעט כל תחומי המדע עושים שימוש בתכונה זו וחוקרים אותה, בהם כימיה, ביולוגיה, פיזיקה וחקלאות.

תכונות פיזיקליות רבות, כגון מצב צבירה, לחץ, נפח, צפיפות, והולכה חשמלית תלויות בטמפרטורה. הטמפרטורה משחקת תפקיד חשוב גם בקביעת הקצב והאופן שבו תגובות כימיות מתרחשות. זוהי הסיבה שבגללה לגוף האדם ישנן מספר מערכות הדואגות לכך שטמפרטורת הגוף תישאר 37 מעלות צלזיוס, שינוי בטמפרטורה זו עלול לגרום לתהליכים מזיקים ותוצאות לא רצויות.

יישומים מפורסמים

• מינוס 80 צלזיוס - הקפאה עמוקה, למשל לשמירה של חומר ביולוגי למשך שנים ארוכות.
• מינוס 20 צלזיוס - מקפיא ביתי.
• 4 צלזיוס - מקרר. זו הטמפרטורה שבה המים תופסים הכי פחות נפח והאוכל שבמקרר לא ניזוק מבחינת יצירת גבישי קרח בתוכו (במקרר קר מדי, הביצים, למשל, נשברות בגלל התרחבות קרח בתוכן). טמפרטורה זו כוללת גם טווח ביטחון שמאפשר סטיות קלות מטה לפני התגבשות קרח.
• 25 צלזיוס - טמפרטורת החדר בה נעים לאנשים לשהות כאשר מזג האוויר מחוץ לבית נוח גם הוא. מבחנה במעבדה בה מגודלים טפילים בחום זה מדמה את מצבם מחוץ לגוף האדם.
• 36.6 צלזיוס - חום גוף האדם וחומן של מבחנות המדמות אותו.
• 100 צלזיוס - הרתחת מים.
• 100 עד 250 צלזיוס - בישול.
• 450 צלזיוס - הלחמה.
• 450 עד 2800 צלזיוס - ריתוך.

• טמפרטורה שלילית
• מפל טמפרטורה

מיזמי קרן ויקימדיה
ערך מילוני בוויקימילון: טמפרטורה
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: טמפרטורה

• ארז גרטי, המשמעות הפיסיקלית של הטמפרטורה, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 2 ביולי 2011
• טמפרטורה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
•   טמפרטורה, דף שער בספרייה הלאומית