Jak obliczyć „dwa razy niższą” temperaturę? Zetknąłem się z niby banalnym zadaniem: „Na termometrze jest 20 stopni C. Oblicz, jaka będzie temperatura, jeżeli obniży się o połowę?”. Banalna (i mam wrażenie, że błędna) odpowiedź to 10 stopni C, ale nie daje mi spokoju, jak obliczyć to samo zadanie, jeżeli temperatura bazowa to 0 stopni C, lub co gorsza -150 stopni C? Gdy w dodatku pomyślę o skali Kelvina w tym samym stanie fizycznym to owe 293K podzielone przez 2 daje 146,5K, czyli bardzo zimo, a na pewno nie 283K. Co to zatem znaczy dwa razy niższa temperatura (mam na myśli interpretację w postaci sumy energii kinetycznej cząsteczek, spodziewam się zatem czegoś innego niż skala liniowa)?
Co to znaczy, że temperatura jest dwa razy niższa?
Pytanie
Odpowiedź
Aby rozwiązać ten problem musimy lepiej zrozumieć jak w fizyce wprowadza się pojęcie temperatury.
Otóż zgodnie z zerową zasadą termodynamiki znajdowanie się w równowadze termicznej jest relacją równoważności, co oznacza w praktyce, że każdemu zbiorowi ciał znajdujących się w równowadze cieplnej możemy przyporządkować pewną liczbę zwaną temperaturą empiryczną. Jej wybór jest kwestią konwencji, byleby tylko nie powtarzała się dla ciał w różnych stanach termicznych. Stąd można wprowadzić nieskończenie wiele możliwych skal temperatur. W praktyce każda skala bazuje na relacji do pojedynczej mierzalnej własności pewnego prostego układu fizycznego zwanego termometrem. Przykładem takiej relacji jest wysokość słupka rtęci.
Oprócz temperatury empirycznej występuje jeszcze temperatura bezwzględna. Jej definicja oraz własności wynikają z drugiej zasady termodynamiki. Jest ona nieujemna, co wiąże się z faktem, że dla każdego układu fizycznego istnieje stan o najniższej możliwej energii, tzw. stan podstawowy w którym zamiera wszelki ruch oprócz kwantowych fluktuacji. Dodatkowo podczas kontaktu termicznego energia przepływa od ciał o wyższej temperaturze bezwzględnej do tych o niższej, co na przykład nie jest konieczne dla temperatur empirycznych w pewnych egzotycznych skalach. Warto podkreślić, że w wszystkich wzorach fizycznych w ramach termodynamiki występuje właśnie temperatura bezwzględna. W tym średnia energia kinetyczna gazu doskonałego jest proporcjonalna do temperatury bezwzględnej.
Temperatura bezwzględna jest zdefiniowana prawie jednoznacznie. Jedyne co trzeba określić to jednostki, czyli ile to jest jeden stopień. Najpopularniejsza jest tutaj skala absolutna Kelvina, ale można używać innej jak np. skala absolutna Rankine’a.
Słusznie Pan zauważył, że w ogólności pojęcie dwa razy niższej temperatury nie jest dobrze określone z powodu dowolności wyboru skali temperatur. Jednak jeśli mówimy o temperaturze bezwzględnej to wtedy to pojęcie staje się już jednoznaczne, gdyż różne skale absolutne muszą być do siebie wprost proporcjonalne.