Nhiệt độ

Dựa vào định luật 1 nhiệt động lực học

Một cách định nghĩa nhiệt độ là dựa vào cân bằng nhiệt động. Nếu hai hệ vật chất được cho tiếp xúc với nhau, các tính chất của chúng có thể thay đổi do trao đổi nhiệt năng hay tổng quát là năng lượng. Theo thời gian trôi qua, trao đổi này chậm dần rồi ngừng lại và tính chất của hai hệ không biến đổi nữa, hai hệ đạt đến cân bằng nhiệt động với nhau.

Định luật 1 nhiệt động lực học phát biểu: "nếu hai hệ nhiệt động lực, A và B, ở trạng thái cân bằng nhiệt động với hệ nhiệt động lực thứ ba, C, thì A và B cũng ở trạng thái cân bằng nhiệt động với nhau". Định luật này rút ra từ quan sát thực nghiệm, chứ không có cơ sở lý thuyết. Cả ba hệ A, B và C đều ở cùng trạng thái cân bằng nhiệt động, nên ta có thể đặt một tính chất chung cho trạng thái đó. Nó gọi là nhiệt độ.

Như vậy nhiệt độ là đặc tính xác định trạng thái cân bằng của hệ nhiệt động lực. Tuy nhiên cũng cần lưu ý khi phát triển khái niệm nhiệt độ cho hệ không ở trạng thái cân bằng nhiệt.

Thiết kế thang đo nhiệt độ: ta làm nhiệt kế bằng ống thuỷ tinh đựng rượu chẳng hạn. Nhúng ống thuỷ tinh này vào nuớc sôi, ta thấy rượu trong ống dâng lên, đến một mức nào đó thì dừng lại. Ta đánh dấu mức này. Mức ta đánh dấu có ý nghĩa là rượu trong ống ở trạng thái cân bằng nhiệt với trạng thái nước sôi. Nếu đem cái ống rượu của ta nhúng vào một chất nào khác mà thấy mực rượu dâng lên đúng cái mức đã đánh dấu và dừng lại, thì theo định luật 0 nhiệt động lực học, ta đảm bảo là cái chất này cũng ở trạng thái cân bằng nhiệt như là nó đang ở trạng thái cân bằng nhiệt với nước sôi. Do đó cả 3 hệ: nước sôi, ống rượu ở mức đánh dấu, chất ta đo đều ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau, và đặc điểm này chính là thể hiện cả 3 hệ đó đều có cùng một nhiệt độ. Có thể chọn nhiệt độ này bằng một số nào đó là tuỳ thích (100 độ, như thang nhiệt độ Celsius), và lấy thêm một nhiệt độ chuẩn khác (nước đá và coi nó bằng 0 độ, thang nhiệt độ Celsius) là ta đã hoàn thành thang đo nhiệt nhiệt độ. Trị số của nhiệt độ theo các thang đo nhiệt độ khác nhau có thể khác nhau, nhưng nhiệt độ thì chỉ có một đó là nhờ định luật 0 nhiệt động lực học.

Dựa vào định luật 2 nhiệt động lực học

Định luật hai nhiệt động lực học hay, chính xác hơn, cơ học thống kê cho ta định nghĩa về nhiệt độ của một hệ nhiệt động, dựa trên khái niệm "cơ bản hơn" entropy:

Ở đây, T là nhiệt độ của hệ, S là entropy của hệ, là hàm của năng lượng E của hệ. Như vậy, nghịch đảo nhiệt độ là độ thay đổi của entropy theo năng lượng.