La temperatura è una grandezza termodinamica intensiva che stabilisce se due sistemi sono in equilibrio termico. Due corpi alla stessa temperatura non scambiano calore netto quando sono posti a contatto termico. Questa idea è formalizzata dal principio zero della termodinamica e rende possibile costruire scale termometriche riproducibili.
Nelle equazioni termodinamiche si usa la scala assoluta Kelvin:
La temperatura non misura il calore contenuto in un corpo. Il calore è energia in transito per differenza di temperatura; la temperatura è una variabile di stato. Un piccolo oggetto molto caldo può contenere meno energia interna di un grande serbatoio tiepido.
Per un gas ideale, la temperatura assoluta è proporzionale all’energia cinetica media traslazionale delle molecole:
In termini energetici, per una particella libera in tre dimensioni:
Questa interpretazione microscopica è molto utile nei gas diluiti, ma non va trasformata in una definizione universale ingenua. In solidi, liquidi e sistemi quantistici la temperatura è legata più in generale alla distribuzione statistica degli stati energetici e all’entropia.
Dal punto di vista termodinamico:
dove S è l’entropia, U l’energia interna, V il volume e N il numero di particelle. Questa relazione chiarisce perché la temperatura governa la direzione dello scambio di calore.
Usare gradi Celsius in formule come pV=nRT, rendimento di Carnot o legge di Stefan-Boltzmann è un errore: in quei casi serve sempre la temperatura assoluta. Le differenze di temperatura possono invece essere espresse indifferentemente in kelvin o gradi Celsius, perché l’intervallo unitario è lo stesso.
Nelle misure reali contano anche contatto termico, tempo di risposta del sensore, emissività se si usa una misura infrarossa e perturbazione introdotta dallo strumento. La temperatura misurata non è sempre la temperatura del fenomeno che si vuole caratterizzare.
Vedi anche: Principio zero della termodinamica, Teoria cinetica dei gas, Energia interna, Entropia, Kelvin.