Nhiệt độ là gì?

Nhiệt độ biểu thị định lượng tính chất nóng hoặc lạnh. Nhiệt độ được đo bằng nhiệt kế. Nó phản ánh động năng trung bình của các nguyên tử dao động và va chạm tạo nên một chất.

Nhiệt kế được hiệu chuẩn theo nhiều thang nhiệt độ khác nhau, trước đây dựa trên các điểm tham chiếu và chất đo nhiệt khác nhau để định nghĩa. Các thang đo phổ biến nhất là thang Celsius với ký hiệu đơn vị là °C (trước đây gọi là độ C), thang Fahrenheit (°F), và thang Kelvin (K), trong đó thang thứ ba được sử dụng chủ yếu cho mục đích khoa học. Kelvin là một trong bảy đơn vị cơ bản trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế (SI).

Hiệu ứng của nhiệt độ

Nhiều quá trình vật lý liên quan đến nhiệt độ; một số trong số đó được trình bày dưới đây:

• Các tính chất vật lý của vật liệu bao gồm pha (rắn, lỏng, khí hoặc plasma), khối lượng riêng, độ hòa tan, áp suất hơi, độ dẫn điện, độ cứng, khả năng chống mài mòn, độ dẫn nhiệt, khả năng chống ăn mòn, độ bền
• Tốc độ và mức độ xảy ra các phản ứng hóa học
• Lượng và tính chất của bức xạ nhiệt phát ra từ bề mặt của một vật thể
• Nhiệt độ không khí ảnh hưởng đến tất cả các sinh vật sống
• Tốc độ âm thanh, trong chất khí tỷ lệ thuận với căn bậc hai của nhiệt độ tuyệt đối

Các loại thang đo 

Thang đo nhiệt độ cần hai giá trị để định nghĩa: điểm được chọn là 0 độ và độ lớn của đơn vị nhiệt độ gia tăng.

Thang đo Celsius (°C) được sử dụng phổ biến để đo nhiệt độ ở hầu hết các nơi trên thế giới. Đây là một thang đo thực nghiệm được phát triển theo lịch sử, dẫn đến điểm không của thang đo này là 0 °C được định nghĩa là điểm đóng băng của nước và 100 °C là điểm sôi của nước, cả hai đều ở áp suất khí quyển tại mực nước biển.

Thang đo Fahrenheit được sử dụng phổ biến ở Hoa Kỳ. Nước đóng băng ở 32 °F (0,32 °C) và sôi ở 212 °F (100 °C) ở áp suất khí quyển tại mực nước biển.

Nhiệt độ không tuyệt đối 

Ở nhiệt độ không tuyệt đối, không còn năng lượng nào có thể được lấy ra khỏi vật chất dưới dạng nhiệt — đây là một nguyên lý được thể hiện trong định luật thứ ba của nhiệt động lực học. Về mặt lý thuyết, trong một vật thể ở nhiệt độ không tuyệt đối, mọi chuyển động cổ điển của các hạt đều dừng lại hoàn toàn. Nhiệt độ không tuyệt đối, được định nghĩa là 0 K, tương đương chính xác với −273,15 °C hoặc −459,67 °F.

Thang đo tuyệt đối 

Dựa trên hằng số Boltzmann, phân bố Maxwell–Boltzmann, và định nghĩa cơ học thống kê của entropy theo Boltzmann (phân biệt với định nghĩa của Gibbs), đối với các hạt vi mô chuyển động độc lập và bỏ qua năng lượng thế tương tác giữa chúng, thang đo nhiệt độ tuyệt đối được xác lập theo thỏa thuận quốc tế.

Thang đo này được gọi là tuyệt đối vì nó không phụ thuộc vào đặc tính của chất nhiệt kế hay cấu tạo của nhiệt kế, mà dựa hoàn toàn trên các hiện tượng vật lý cơ bản ở cấp độ vi mô.

Thang đo Kelvin 

Nhiều phép đo khoa học sử dụng thang đo nhiệt độ Kelvin (ký hiệu đơn vị: K), được đặt theo tên của nhà vật lý William Thomson, Lord Kelvin, người đầu tiên định nghĩa nó. Đây là một thang đo tuyệt đối, với 0 K tương ứng với nhiệt độ không tuyệt đối.

Từ tháng 5 năm 2019, đơn vị kelvin được định nghĩa dựa trên lý thuyết động học phân tử và cơ học thống kê. Trong Hệ đơn vị quốc tế (SI), độ lớn của kelvin được xác định theo hằng số Boltzmann, giá trị của nó được quy ước cố định bởi thỏa thuận quốc tế.

Thang đo cơ học thống kê so với thang đo nhiệt động học

Từ tháng 5 năm 2019, độ lớn của đơn vị kelvin được xác định dựa trên các hiện tượng vi mô, được mô tả bằng cơ học thống kê.

Trước đó, kể từ năm 1954, Hệ đơn vị quốc tế (SI) định nghĩa kelvin như một đơn vị nhiệt động học, với hai điểm tham chiếu:

• 0 K tại nhiệt độ không tuyệt đối, và
• điểm ba của nước (triple point of water), một trạng thái có thể tái tạo đáng tin cậy, làm điểm tham chiếu thứ hai.

Phân loại thang đo nhiệt độ

Thang đo thực nghiệm

Thang đo nhiệt độ thực nghiệm dựa trực tiếp vào các phép đo các tính chất vật lý vĩ mô đơn giản của vật liệu.

Ví dụ, chiều dài của một cột thủy ngân, được giới hạn trong một ống mao dẫn có thành thủy tinh, phụ thuộc phần lớn vào nhiệt độ và là cơ sở của nhiệt kế thủy ngân trong thủy tinh rất hữu ích. Các thang đo này chỉ có giá trị trong phạm vi nhiệt độ thuận tiện.

Thang đo lý thuyết

Thang đo nhiệt độ lý thuyết dựa trực tiếp vào các lập luận lý thuyết, đặc biệt là các lập luận về động học và nhiệt động lực học.

Thang đo cơ học thống kê vi mô

Trong vật lý, thang đo nhiệt độ thông thường được quốc tế công nhận là thang Kelvin. Nó được hiệu chuẩn thông qua giá trị hằng số Boltzmann được quốc tế công nhận và quy định, liên quan đến chuyển động của các hạt vi mô, chẳng hạn như nguyên tử, phân tử và electron, thành phần trong vật thể có nhiệt độ cần đo.

Thang nhiệt động lực học vĩ mô

Trước đây, cho đến tháng 5 năm 2019, định nghĩa về thang Kelvin là thang do Kelvin phát minh, dựa trên tỷ lệ lượng năng lượng trong các quá trình trong động cơ Carnot lý tưởng, hoàn toàn dựa trên nhiệt động lực học vĩ mô. Động cơ Carnot đó hoạt động giữa hai nhiệt độ, nhiệt độ của vật thể cần đo và nhiệt độ tham chiếu, nhiệt độ của vật thể ở điểm ba của nước.

Khí lý tưởng

Khí lý tưởng là vật liệu có thể làm cơ sở cho thang nhiệt độ vĩ mô. Áp suất do một thể tích và khối lượng cố định của khí lý tưởng tác dụng tỷ lệ thuận với nhiệt độ của nó. Một số khí tự nhiên thể hiện các tính chất gần như lý tưởng trong phạm vi nhiệt độ thích hợp đến mức chúng có thể được sử dụng cho phép đo nhiệt.

Đo lường nhiệt độ

Việc đo nhiệt độ bằng nhiệt kế khoa học hiện đại và thang đo nhiệt độ đã có từ ít nhất là đầu thế kỷ 18, khi Daniel Gabriel Fahrenheit cải tiến nhiệt kế (chuyển sang dùng thủy ngân) và một thang đo do Ole Christensen Rømer phát triển. Thang đo Fahrenheit vẫn được sử dụng ở Hoa Kỳ cho các ứng dụng phi khoa học.

Đơn vị

Đơn vị nhiệt độ cơ bản trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế (SI) là Kelvin. Nó có ký hiệu là K.

Trong các ứng dụng hàng ngày, thường thuận tiện hơn khi sử dụng thang đo Celsius, trong đó 0 °C tương ứng rất gần với điểm đóng băng của nước và 100 °C là điểm sôi của nước ở mực nước biển. Vì các giọt chất lỏng thường tồn tại trong các đám mây ở nhiệt độ dưới 0, nên 0 °C được định nghĩa tốt hơn là điểm tan chảy của băng. Trong thang đo này, chênh lệch nhiệt độ 1 độ C tương đương với mức tăng 1 Kelvin, nhưng thang đo bị lệch bởi nhiệt độ mà băng tan chảy (273,15 K).

Các thang đo nhiệt độ lịch sử

Các thang đo nhiệt độ sau đây đang được sử dụng hoặc đã từng được sử dụng để đo nhiệt độ:

• Thang Kelvin
• Thang Celsius
• Thang Fahrenheit
• Thang Rankine
• Thang Delisle
• Thang Newton
• Thang Réaumur
• Thang Rømer
• Vật lý plasma

Nhiệt độ âm

Trong các thang nhiệt độ thực nghiệm không được tham chiếu đến độ không tuyệt đối, nhiệt độ âm là nhiệt độ thấp hơn điểm không của thang đo được sử dụng một đơn vị.

Ví dụ, đá khô có nhiệt độ thăng hoa là -78,5 °C, tương đương với -109,3 °F. Trên thang Kelvin tuyệt đối, nhiệt độ này là 194,6 K. Không có vật chất nào có thể đạt đến chính xác 0 K (nhiệt độ của vật thể lạnh nhất lý tưởng) bằng bất kỳ quá trình hữu hạn khả thi nào; đây là hệ quả của định luật thứ ba của nhiệt động lực học.

Thuyết động học bên trong phát biểu rằng nhiệt độ của một vật chất không thể nhận giá trị âm. Tuy nhiên, thang nhiệt độ nhiệt động lực học không bị hạn chế như vậy.