¿Es la temperatura un concepto microscópico o macroscópico?

Una forma muy intuitiva de pensar en la temperatura es que es solo la energía promedio que tiene una partícula, o más precisamente, la energía promedio de cada grado de libertad *.

Todas las partículas en un sistema tienen una energía específica, cada una diferente de cualquier otra. Podemos dibujar una analogía con la velocidad: una partícula que sigue una trayectoria (en términos clásicos) tiene una velocidad particular en cada punto de su trayectoria. Puede encontrar el tiempo de viaje con esa información junto con la longitud de la trayectoria. Pero también podemos encontrar el tiempo de viaje calculando la velocidad promedio de la partícula y simplemente calculando t = x / V, siendo V la velocidad promedio. Esto nos da una información muy importante: cuánto es el tiempo de viaje de la partícula.

Volviendo a las energías y la temperatura, podemos calcular muchas cantidades importantes simplemente conociendo la energía promedio por grado de libertad y no “detalles” como cuánta energía tiene cada grado de libertad en cada instante de tiempo.

La declaración anterior puede ser motivada (o incluso “probada” bajo ciertas condiciones) por el teorema de la equipartición **.

Entonces, concluyo que la temperatura es un concepto macroscópico .

* Por ejemplo, una partícula puntual (de dimensión cero) que se mueve en el espacio 3D tiene 3 grados de libertad.

** Por supuesto, esto cambia a temperaturas muy bajas, donde hay efectos cuánticos que hacen que el teorema de equipartición sea inexacto.

En algún lugar entremedio. La temperatura se define como la inversa de la tasa de cambio de entropía con energía; la entropía es el registro del número de microestados distinguibles de un sistema que tienen la misma energía total, etc.

Por lo tanto, no puede definir la temperatura de una sola partícula (por ejemplo), pero puede ponerla en contacto térmico con un depósito macroscópico a una temperatura dada, lo que resulta en una distribución de Boltzmann de posibles estados de energía.