熱力学的温度は、物質の粒子成分(分子、原子、および亜原子粒子)の並進運動、振動運動および回転運動の平均エネルギーの尺度である。これらの運動運動の完全な多様性は、潜在的な粒子エネルギーと、時にはこれらと平衡状態にある特定の他のタイプの粒子エネルギーも、物質の全内部エネルギー(緩やかに、熱エネルギー)に寄与する。したがって、内部エネルギーは、物質内の多くの方法(自由度)で保存することができます。自由度が古典体制(「凍結解除」)にあるとき、温度は平衡状態での自由度の平均エネルギーに非常に単純に関係している。 3つの並進自由度は非常に低い温度以外は凍結されず、その運動エネルギーは単に最も広い範囲の熱力学的温度に関連しているに過ぎない。熱入力および温度変化に関係する熱容量は、以下で議論される。 運動エネルギー、質量、および速度の関係は、式Ek = 1 / 2mv2によって与えられる。したがって、1単位の速度で移動する1単位の質量を有する粒子は、質量の4倍で速度の半分のものと正確に同じ運動エネルギー、正確に同じ温度を有する。 極低温の量子レジームを除いて、物質のバルク量(統計的に有意な量の粒子)の熱力学的温度は、並進運動として知られる特定の種類の粒子運動の平均平均運動エネルギーに正比例する。空間の3つのx、y、z軸次元におけるこれらの単純な動きは、粒子が3つの空間自由度で移動することを意味する。この並進運動エネルギーに由来する温度は、時々、運動温度と呼ばれ、非常に広い温度範囲にわたって熱力学的温度に等しい。 3つの並進自由度(例えば、x、y、およびz軸に沿った運動)があるので、並進運動エネルギーは、
{E}} \、{3} {2}} k_ {B} T_ {k}}
ここで:
\ scriptstyle {E}}} ジュール単位の平均運動エネルギー(J)であり、「Eバー」と発音される kB = 6977138065039999999♠1.3806504(24)×10-23 J / Kはボルツマン定数であり、 "Kay sub bee"と発音されます。
T_ {k}} ケルビン(K)単位の動態温度であり、「Tee sub kay」と発音される ボルツマン定数は粒子の平均運動エネルギーを求めるのに役立ちますが、物質が単離され、熱力学的に平衡状態にあるとき(すべての部分が均一な温度にあり、熱の出入りがない場合でも)個々の原子と分子の並進運動は、広範囲の速度にわたって起こります(上の図1のアニメーションを参照)。任意の瞬間において、この範囲内の所定の速度で移動する粒子の割合は、マクスウェル - ボルツマン分布によって記述される確率によって決定される。図2に示すグラフは、5500 Kのヘリウム原子の速度分布を示しています。彼らは4.780 km / sの最も可能性の高い速度を持っています。しかしながら、ある瞬間のある割合の原子はより速く移動し、他の瞬間は比較的ゆっくり移動している。いくつかは一時的に仮想停止(右からx軸外に)しています。このグラフではx軸に逆速度を使用しているため、曲線の形状を下の図5の曲線と簡単に比較できます。両方のグラフにおいて、x軸上のゼロは無限の温度を表す。さらに、両方のグラフのx軸とy軸は比例してスケーリングされます。
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