miniatura|Simulació de la vibració tèrmica d'un segment d'una proteïna, l'amplitud de la vibració s'incrementa amb la temperatura. La temperatura és una magnitud física variable de la matèria que expressa quantitativament les nocions comunes de calor i fred. Els objectes de baixa temperatura són freds, mentre que els nivells de temperatures més altes es coneixen amb els noms de tebi o calent. La temperatura es mesura quantitativament amb termòmetres, que poden ser calibrats respecte a diferents escales de temperatura.
A gairebé tot el món es fa servir l'escala Celsius (°C) per a la mesurar la temperatura. Aquesta escala té el mateix escalat incremental que l'escala Kelvin, usada pels científics, però fixa el seu punt nul en els 273,15 kèlvins, 0 °C = 273,15 K, el punt de congelació de l'aigua.Històricament, l'escala Celsius fou una escala de temperatura purament empírica definida només pel punts de congelació i ebullició de l'aigua. Però des de l'adopció del kelvin com a unitat de temperatura del Sistema Internacional d'Unitats, va ser redefinit en termes dels punts equivalents a l'escala Kelvin. El que fa que avui dia el grau Celsius sigui una unitat derivada del Sistema Internacional. Tanmateix, hi ha alguns pocs països, sobretot els Estats Units, on encara s'utilitza l'escala Fahrenheit a la vida diària, una escala històrica a la qual l'aigua es congela a 32 °F i bull a 212 °F.
A efectes pràctics de la mesura de la temperatura dins dels camps de la ciència, el Sistema Internacional d'Unitats (SI) defineix una escala i una unitat per a la temperatura termodinàmica basant-se en un segon punt de referència fàcilment reproduïble com és la temperatura del punt triple de l'aigua.Resolució número 10 de la 23ª CGPM (2007) Per raons històriques, el punt triple de l'aigua ha estat fixat en 273,16 unitatsResolució número 3 de la 10a Conferència General de Pesos i Mesures (CGPM) del 1954. de l'interval de mesura, que ha estat anomenat kelvinResolució número 3 de la 13ª CGPM (1967/68). (en minúscula)BIPM: Opuscle de SI Section 5.2 en honor del físic escocès William Thomson (Lord Kelvin) que va definir per primera vegada l'escala. El símbol del kelvin és K (en majúscula).
La temperatura és una de les principals propietats estudiades en el camp de la termodinàmica, en aquest camp són particularment importants les diferències de temperatura entre diferents regions de la matèria, ja que aquestes diferències són la força motriu de la calor, que és la transferència de l'energia tèrmica. Espontàniament, la calor flueix només de les regions de major temperatura a les regions de menor temperatura. De manera que si no es transfereix calor entre dos objectes és perquè ambdós objectes tenen la mateixa temperatura.
Segons l'enfocament de la termodinàmica clàssica, la temperatura d'un objecte varia proporcionalment a la velocitat de les partícules que conté,, pàg. 267-268 no depèn del nombre de partícules (de la massa) sinó de la seva velocitat mitjana: a major temperatura major velocitat mitjana. Per tant, la temperatura està lligada directament a l'energia cinètica mitjana de les partícules que es mouen en relació al centre de massa de l'objecte. La temperatura és una variable intensiva, ja que és independent de la quantitat de les partícules contingudes a l'interior d'un objecte, ja siguin àtoms, molècules o electrons, és una propietat que és inherent al sistema i no depèn ni de la quantitat de substància ni del tipus de material. Per tal que hom pugui determinar la temperatura d'un sistema, aquest ha d'estar en equilibri termodinàmic. Es pot considerar que la temperatura varia amb la posició només si per a cada punt hi ha una petita zona al seu voltant que es pot tractar com un sistema termodinàmic en equilibri. A la termodinàmica estadística, en comptes de partícules es parla de graus de llibertat.
En un enfocament més fonamental, la definició empírica de la temperatura es deriva de les condicions de l'equilibri tèrmic, que són expressades al principi zero de la termodinàmica., Capítol 1, pàg. 21 i ss. Quan dos sistemes són en equilibri tèrmic tenen la mateixa temperatura.Maxwell, J.C. (1872). Theory of Heat, tercera edició, Longmans, Green, Londres, pàg. 32.Planck, M. (1897/1903). Treatise on Thermodynamics, traduït per A. Ogg, Longmans, Green, Londres, pàg. 2.Tait, P.G. (1884). Heat, Macmillan, Londres, capítol VII, pàg. 39-40. L'extensió d'aquest principi com una relació d'equivalència entre diversos sistemes justifica la utilització del termòmetre i dona els principis per construir instruments de mesura. Tot i que el principi zero de la termodinàmica permetria la definició empírica de moltes escales de temperatura, el segon principi de la termodinàmica selecciona una única definició com a la preferida, la temperatura absoluta,Maxwell, J.C. (1872). Theory of Heat, tercera edició, Longmans, Green, Londres, pàg. 155-158.Tait, P.G. (1884). Heat, Macmillan, Londres, capítol VII, secció 95, pàg. 68-69.Truesdell, C.A. (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822-1854, Springer, Nova York, , Secció 11H, pàg. 320-332.Kondepudi, D. (2008). Introduction to Modern Thermodynamics, Wiley, Chichester, , secció 32., pàg. 106-108. coneguda com a temperatura termodinàmica. Aquesta funció correspon a la variació de l'energia interna pel que fa als canvis a l'entropia d'un sistema. El seu origen natural, intrínsec o punt nul és el zero absolut, punt on l'entropia de qualsevol sistema és mínima. Encara que aquesta és la temperatura mínima absoluta descrita pel model, el tercer principi de la termodinàmica postula que el zero absolut no pot ser assolit per cap sistema físic., pàg. 107
Nocions generals Macroscòpicament, la temperatura està relacionada amb l'energia tèrmica continguda per la matèria. Una manera immediata de detectar això és tocar un material i aleshores decidir si és calent o fred. No obstant això, un termòmetre mesura la temperatura de manera quantitativa i precisa, i indica un valor numèric.
A nivell molecular, la temperatura és el resultat del moviment de les partícules que constitueixen la matèria. El moviment de les partícules comporta que tinguin una certa quantitat d'energia cinètica. La temperatura s'incrementa a mesura que augmenta el moviment de les partícules i, en conseqüència, se'n incrementa l'energia cinètica. L'energia cinètica pot estar relacionada amb un moviment de translació de les partícules, a la vibració molecular o al canvi de nivell d'energia d'un electró excitat. Encara que per tal de detectar els moviments de translació tèrmica cal un equip de laboratori molt especialitzat, les col·lisions tèrmiques entre els àtoms o les molècules amb petites partícules suspeses en un fluid produeixen l'anomenat moviment brownià, que pot ser observat amb un microscopi ordinari.
Els moviments tèrmics dels àtoms són molt ràpids i calen temperatures properes al zero absolut per tal de poder ser observats directament. Per exemple, quan el 1994 els científics de l'Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia (NIST) van assolir la temperatura rècord de 700 nK (1 nK = 10−9 K), van utilitzar un làser per a crear una xarxa òptica i refredar adiabàticament àtoms de cesi. Després d'apagar el làser van mesurar directament les velocitats dels àtoms, de 7 mm per segon, per tal de calcular-ne la temperatura.
Les molècules, com ara les de l'oxigen (O₂), tenen més graus de llibertat que els àtoms esfèrics: les molècules són sotmeses a moviments de rotació, de vibració i a translacions. L'escalfament resultant provoca un augment en la temperatura a causa de l'increment de l'energia cinètica mitjana de les molècules. L'escalfament també farà que, seguint el teorema d'equipartició, s'incrementi l'energia associada a la vibració i a la rotació. Per això, un gas diatòmic requerirà una aportació d'energia més gran que un de monoatòmic per tal d'augmentar la seva temperatura en una certa quantitat; és a dir, les molècules diatòmiques tenen una capacitat calorífica més gran que els àtoms d'un gas monoatòmic.
El procés de refredament consisteix a extreure energia tèrmica d'un sistema. Quan no hi hagi més energia que es pugui eliminar, el sistema haurà assolit el zero absolut, una temperatura que no es pot aconseguir de manera experimental. El zero absolut és el punt zero de l'escala de temperatura termodinàmica, també anomenada temperatura absoluta. Si fos possible de refredar un sistema fins al zero absolut, cessaria tot el moviment de les partícules que componen la matèria i estaria en repòs absolut en el sentit clàssic del terme. Tanmateix, a nivell microscòpic, segons la descripció de la mecànica quàntica, la matèria encara té una certa quantitat d'energia, l'energia del punt zero, fins i tot assolint el zero absolut, a causa del principi d'incertesa.Introduction to Zero-Point Energy - Calphysics Institute El zero absolut es defineix com una temperatura exacta de 0 kelvin, que és igual a −273,15 °C.
Ús a la ciència La temperatura té un paper important en tots els camps de ciències naturals, com per exemple en la física, la geologia, la química, la meteorologia, la climatologia o la biologia.
Moltes propietats físiques de materials com les fases (sòlida, líquids, gasosa o plasma), la densitat, la solubilitat, la pressió de vapor o la resistivitat elèctrica depenen de la temperatura. La temperatura també té un paper important en la determinació del grau i l'abast de les reaccions químiques. Aquesta és una de les raons que expliquen que el cos humà tingui diversos mecanismes complicats per mantenir la temperatura a 310 K, atès que temperatures més altes, de pocs graus, poden causar reaccions amb conseqüències perjudicials greus. La temperatura també controla la radiació tèrmica emesa per una superfície. Un ús d'aquest efecte és la bombeta incandescent, en la qual un filament de tungstè és escalfat elèctricament (a causa de la resistència que oposa el filament al pas del corrent elèctric) a una temperatura a la qual s'emeten quantitats significatives de llum visible.
Per a l'estudi i l'anàlisi dels sistemes del món real, aquests acostumen a ser dividits temporalment i espacial en cel·les de mida petita, en les quals les condicions d'equilibri termodinàmic clàssic de la matèria es compleixen amb una bona aproximació (equilibri termodinàmic local).
Mesura de la temperatura La mesura de la temperatura amb termòmetres científics moderns i escales de temperatura es remunta a principi del quan Daniel Gabriel Fahrenheit va adaptar un termòmetre de mercuri i una escala desenvolupats per Ole Christensen Rømer.Ernst Cohen and W. A. T. Cohen-De Meester. Chemisch Weekblad, volum 33 (1936), pàg. 374–393, citat i traduït a l'anglès a Fahrenheit temperature scale L'escala Fahrenheit encara és utilitzada als Estats Units per a aplicacions no científiques.
La temperatura es mesura amb termòmetres que poden ser calibrats amb una gran varietat d'escales de temperatura. A la major part del món (només amb les excepcions de Belize, Birmània, Libèria i els Estats Units) s'utilitza l'escala Celsius, tant a la vida diària com a l'activitat científica.
La majoria de les mesures científiques de la temperatura es fan amb l'escala de Celsius i la temperatura termodinàmica amb l'escala Kelvin, que és l'escala Celsius desplaçada de manera que el seu punt nul és a 0 K (-273,15 °C) o zero absolut. Als Estats Units moltes àrees de l'enginyeria, de manera remarcable en el camp de l'alta tecnologia i les especificacions federals, civils i militars, també utilitzen l'escala Kelvin i els graus Celsius. En canvi, en alguns casos també s'utilitza l'escala de Rankine, que és una escala desplaçada −459,67 graus respecte del zero de l'escala Fahrenheit, quan es treballa en les disciplines relacionades amb la termodinàmica com la combustió.
Unitats La unitat de mesura de la temperatura al Sistema Internacional d'Unitats (SI) és el kelvin i el seu símbol és K.