Nhiệt độ là thước đo chất lượng trạng thái của vật chất.[37] Chất lượng có thể được coi là một thực thể trừu tượng hơn bất kỳ thang nhiệt độ cụ thể nào đo lường nó, và được một số tác giả gọi là độ nóng.[38] Chất lượng của độ nóng chỉ trạng thái của vật lhấtt chỉ ở một địa phương cụ thể, và nói chung, ngoài các vật thể được giữ ở trạng thái cân bằng nhiệt động ổn định, độ nóng thay đổi theo từng nơi. Không nhất thiết phải có trường hợp vật liệu ở một địa điểm cụ thể ở trạng thái ổn định và gần như đồng nhất đủ để cho phép vật liệu đó có độ nóng hoặc nhiệt độ xác định rõ. Độ nóng có thể được biểu diễn một cách trừu tượng dưới dạng đa tạp một chiều. Mỗi thang nhiệt độ hợp lệ đều có một bản đồ riêng của nó trong biểu đồ độ nóng.[39][40]

Khi hai hệ thống tiếp xúc nhiệt ở cùng một nhiệt độ thì không có sự truyền nhiệt nào giữa chúng. Khi có sự chênh lệch nhiệt độ, nhiệt sẽ tự phát chảy từ hệ thống ấm hơn sang hệ thống lạnh hơn cho đến khi chúng ở trạng thái cân bằng nhiệt. Sự truyền nhiệt như vậy xảy ra bằng dẫn truyền nhiệt hoặc bức xạ nhiệt.[41][42][43][44][45][46][47][48]

Các nhà vật lý thực nghiệm, ví dụ như Galileo và Newton,[49] nhận thấy rằng có vô hạn các thang đo nhiệt độ thực nghiệm. Tuy nhiên, định luật 0 của nhiệt động lực học nói rằng tất cả chúng đều đo lường với chất lượng như nhau. Điều này có nghĩa là đối với một vật thể ở trạng thái cân bằng nhiệt động bên trong, mọi nhiệt kế đã được hiệu chuẩn chính xác, thuộc bất kỳ loại nào, khi đo nhiệt độ của vật thể, đều sẽ ghi lại một và cùng một nhiệt độ. Đối với một vật thể không ở trạng thái cân bằng nhiệt động bên trong, các nhiệt kế khác nhau có thể ghi lại các nhiệt độ khác nhau, tùy thuộc vào cơ chế hoạt động của các nhiệt kế.

Các vật thể ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học

Đối với vật lý thực nghiệm, độ nóng có nghĩa là, khi so sánh bất kỳ hai vật thể nhất định nào trong các cân bằng nhiệt động lực học riêng biệt tương ứng của chúng, hai nhiệt kế thực nghiệm bất kỳ đã cho phù hợp với các số đọc thang số sẽ đồng ý với nhau về vật nóng hơn trong hai vật thể đã cho hoặc chúng có cùng nhiệt độ.[50] Điều này không yêu cầu hai nhiệt kế phải có quan hệ tuyến tính giữa các số đọc thang đo của chúng, nhưng nó yêu cầu rằng mối quan hệ giữa các số đọc của chúng phải là đơn điệu.[51][52] Có thể có một cảm giác rõ ràng về độ nóng lớn hơn, độc lập với nhiệt lượng, nhiệt động lực học và các tính chất của các vật liệu cụ thể, từ định luật dịch chuyển Wien của bức xạ nhiệt: nhiệt độ của một bể bức xạ nhiệt tỷ lệ với một hằng số phổ quát, với tần số cực đại của phổ tần số của nó; tần số này luôn dương, nhưng có thể có các giá trị có xu hướng bằng không. Bức xạ nhiệt ban đầu được xác định cho một khoang ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Các dữ kiện vật lý này biện minh cho một tuyên bố toán học rằng độ nóng tồn tại trên một đa tạp một chiều có thứ tự. Đây là đặc điểm cơ bản của nhiệt độ và nhiệt kế đối với các vật thể ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học của chính chúng.[7][39][40][53][54]

Ngoại trừ một hệ đang trải qua sự thay đổi giai đoạn bậc nhất, chẳng hạn như sự tan chảy của băng, khi một hệ kín nhận nhiệt, không thay đổi thể tích và không thay đổi trường ngoại lực tác động lên nó, nhiệt độ của nó tăng lên. Đối với một hệ thống trải qua sự thay đổi pha chậm đến mức có thể bỏ qua việc rời khỏi trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, thì nhiệt độ của nó không đổi khi hệ thống được cung cấp nhiệt tiềm ẩn. Ngược lại, sự mất nhiệt từ một hệ kín, không thay đổi pha, không thay đổi thể tích và không thay đổi trường ngoại lực tác dụng lên nó, làm giảm nhiệt độ của nó.[55]

Các vật thể ở trạng thái ổn định nhưng không ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học

Trong khi đối với các vật thể ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học của riêng chúng, khái niệm nhiệt độ yêu cầu tất cả các nhiệt kế thực nghiệm phải đồng ý là nhiệt kế nào trong hai vật thể nóng hơn hoặc chúng có cùng nhiệt độ, yêu cầu này không an toàn cho các vật thể đang ở trạng thái ổn định. trạng thái mặc dù không ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Sau đó, rất có thể là các nhiệt kế thực nghiệm khác nhau không thống nhất về việc cái nào nóng hơn, và nếu đúng như vậy, thì ít nhất một trong các vật thể không có nhiệt độ nhiệt động lực học tuyệt đối được xác định rõ ràng. Tuy nhiên, bất kỳ thân máy nhất định nào và bất kỳ nhiệt kế thực nghiệm thích hợp nào vẫn có thể hỗ trợ các khái niệm về độ nóng và nhiệt độ thực nghiệm, không tuyệt đối, cho một phạm vi quy trình thích hợp. Đây là một vấn đề để nghiên cứu trong nhiệt động lực học không cân bằng.

Các vật thể không ở trạng thái ổn định

Khi một vật thể không ở trạng thái ổn định, thì khái niệm về nhiệt độ thậm chí còn kém an toàn hơn đối với một vật thể ở trạng thái ổn định không ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học. Đây cũng là một vấn đề cần nghiên cứu trong nhiệt động lực học không cân bằng.

Tiên đề cân bằng nhiệt động lực học

Để xử lý tiên đề về cân bằng nhiệt động lực học, từ những năm 1930, người ta thường đề cập đến định luật số 0 của nhiệt động lực học. Phiên bản tối giản được tuyên bố thông thường của định luật như vậy chỉ giả định rằng tất cả các vật thể, khi kết nối nhiệt sẽ ở trạng thái cân bằng nhiệt, theo định nghĩa phải được cho là có cùng nhiệt độ, nhưng bản thân nó không thiết lập nhiệt độ như một đại lượng được biểu thị dưới dạng thực số trên thang điểm. Một phiên bản thông tin vật lý hơn của định luật như vậy xem nhiệt độ thực nghiệm như một biểu đồ trên đa tạp độ nóng.[39][54][56] Trong khi định luật số 0 cho phép định nghĩa nhiều thang nhiệt độ thực nghiệm khác nhau, thì định luật thứ hai của nhiệt động lực học chọn định nghĩa về một nhiệt độ tuyệt đối ưu tiên duy nhất, duy nhất cho đến một hệ số tỷ lệ tùy ý, khi đó được gọi là nhiệt độ nhiệt động lực học.[7][39][57][58][59][60] Nếu nội năng được coi là hàm của thể tích và entropi của một hệ đồng nhất ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, thì nhiệt độ tuyệt đối nhiệt động lực học xuất hiện dưới dạng đạo hàm riêng của nội năng đối với entropi ở thể tích không đổi. Điểm gốc tự nhiên, nội tại hoặc điểm rỗng của nó là độ không tuyệt đối mà tại đó entropy của bất kỳ hệ thống nào là nhỏ nhất. Mặc dù đây là nhiệt độ tuyệt đối thấp nhất được mô tả bởi mô hình, định luật thứ ba của nhiệt động lực học cho rằng không thể đạt được độ không tuyệt đối bởi bất kỳ hệ vật lý nào.