§1.15 Температура.

Температура - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы. Бели система не находится в равновесии, то между ее частями, имеющими различные температуры, происходит теплообмен. Теоретически температура определяется на основе второго начала термодинамики, как производная от энергии тела по его энтропии. Так определяемая температура всегда положительна, ее называют абсолютной температурой (обозначается Т). За единицу абсолютной температуры в СИ принят Кельвин (К).

Температурные шкалы - (рис.1.6) - системы сопоставимых числовых значений температуры. Существуют абсолютная термодинамическая температурная шкала (шкала Кельвина) и различные эмпирические температурные шкалы, реализуемые при помощи свойств веществ, зависящих от температуры (тепловое расширение, изменение электрического сопротивления с температурой и т.д.). Эмпирические температурные шкалы различаются начальными точками отсчета и размером применяемой единицы температуры: °С (шкала Цельсия),°R(шкала Реомюра),°F(шкала Фаренгейта), °R (шкала Ренкина). Температурная шкала, практически воспроизводящая шкалу Кельвина (1К=1°С), называют международной практической температурной шкалой.

Шкала Фаренгейта - температурная шкала, один градус которой (1°F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32°F. Предложена Фаренгейтом в 1724г., он же изготовил спиртовой (1709г.) и ртутный (1714г.) термометры.

1°F=5/9°C, t°C=5/9'(t°F-32).

Шкала Реомюра - температурная шкала, один градус которой (1°R) равен 1/80 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, т.е. 1°R=5/9°C. Практически вышла из употребления. Предложена Р. Реомюром в 1730 году.

Шкала Цельсия - температурная шкала , в которой один градус (1°С) равен 1/100 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении. Точка таяния льда принята за 0°С, кипения воды - за 100°С. Названа в честь А. Цельсия, предложившего эту шкалу в 1742г.

Шкала Кельвина - термодинамическая температурная шкала, абсолютная шкала температур, не зависящая от свойств термометрических веществ. Начало отсчета - абсолютный нуль температуры. Предложена Томсоном (Кельвином) в 1848г. Единица термодинамической температуры- Кельвин(К) определяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Значения температуры по шкале Цельсия (t°C) связаны с абсолютной температурой соотношением

Тройная точка воды (рис. 1.6 - состояние равновесного сосуществования трех фаз (твердой, жидкой и газообразной). Температура тройной точки воды равна 0,01°С (273,16К) при давлении 4,58 мм. рт. ст.

Шкала Ренкина - (по имени шотландского физика У. Дж. Ренкина) - температурная шкала, в которой абсолютный нуль совпадает с нулем Кельвина, а температура тройной точки воды равна 491,688 °R.

Абсолютный нуль.

Как известно на практике за нуль градусов условно принимается температура таяния льда при нормальном давлении, а за 100 градусов - температура кипения воды при нормальном давлении. Однако при делении интервала между 0° и 100° на сто равных частей у ртутных и спиртовых термометров их показания совпадают только при 0° и при 100°. Следовательно, расширение этих веществ при нагревании происходит неравномерно и получить единую температурную шкалу таким способом нельзя.

Чтобы создать единую температурную шкалу, нужно иметь величину, изменение которой при нагревании или охлаждении не зависело бы от рода термометрического вещества. Такой величиной может служить давление газа, так как температурный коэффициент давления для не слишком плотных газов не зависит от природы газа и имеет такое же значение, как и для идеального газа. Наилучшим термометрическим телом был бы идеальный газ. Поскольку свойства разреженного водорода ближе всего подходят к свойствам идеального газа, то целесообразнее всего измерять температуру по водородному термометру, который представляет собой закрытый сосуд, с разреженным водородом, соединенный с чувствительным манометром. Так как давление и температура водорода связаны между собой, то по показанию манометра можно определять температуру.

Отметим, что шкалу температур, установленную по водородному термометру, у которой 0° соответствует температуре таяния льда, а 100° - температуре кипения воды, называют шкалой Цельсия. Следует сказать, что нуль на шкале Цельсия определен условно. Размер градуса тоже определен произвольно. Это означает, что с научной точки зрения допустимо иное построение температурной шкалы.

Рассмотрим, как зависит давление газа от температуры, когда его масса и объем остаются постоянными.

Возьмем закрытый сосуд с газом и поместим его в тающий снег, расположенный в наружном открытом сосуде. Давление газа в закрытом сосуде будем определять по манометру, а температуру - термометром, размещенном в наружном сосуде (тающем снеге). Постепенно будем нагревать наружный сосуд и фиксировать значения давления и температуры газа. Оказывается, что график зависимости давления от температуры, построенный на основании такого опыта, имеет вид прямой линии (рис.1.7). Если продолжить этот график влево, то он пересечется с осью абсцисс в точке А, соответствующей нулевому давлению газа.

Рис. 1.6 Температура

Рис 1.7 Изменение давления газов от температуры.

Повторяя описанный опыт для различных газов при различных массах, можно установить, что в пределах ошибок опытов точка А для всех графиков получается в одном и том же месте. При этом длина отрезка OA получается равной 273°С (Такое значение этой точки соответствует -273,15°С). В точке А давление газа равно нулю. Поскольку давление газа определяется ударами хаотически движущихся молекул (почему невозможно непосредственно измерить температуру в межзвездном пространстве), то уменьшение давления при охлаждении газа объясняется уменьшением средней энергии поступательного движения молекул газа, т.е. давление газа будет равно нулю, когда станет равна нулю энергия поступательного движения его молекул.

Теперь видно, что для охлаждения газа должен быть предел, который соответствует отсутствию поступательного движения у молекул: температуру, при которой должно прекратиться поступательное движение молекул, называют абсолютным нулем.

Выдающийся английский ученый В. Кельвин выдвинул идею о том, что полученное значение абсолютного нуля соответствует прекращению поступательного движения молекул всех веществ. Отметим, что температуры ниже абсолютного нуля в природе быть не может. Действительно, при температуре абсолютного нуля уже нельзя было бы отнимать энергию теплового движения у молекул тела и понижать далее температуру тела (энергия теплового движения не может быть отрицательной). Из теоретических соображений следует, что невозможно охладить какое-либо тело даже до температуры абсолютного нуля. Однако, достичь температуры, очень близкой к абсолютному нулю, можно. В физических лабораториях получена температура, отличающаяся от абсолютного нуля всего на тысячные доли градуса.

Необходимо отметить, что при приближении к абсолютному нулю прекращается только тепловое движение молекул, а не всякое движение вообще: внутри молекул элементарные частицы продолжают движение.