Анализ понятия «температура»

Понятие «температура» — фундаментальное понятие не только физики, но и естествознания в целом. Оно весьма сложно и очень ярко отражает многогранность физических понятий. Дело в том, что температура представляет собой макроскопический параметр состояния системы, физический смысл которого может быть раскрыт лишь на основе молекулярно-кинетических представлений. Своим существованием температура (как параметр состояния) обязана статистическим закономерностям; господствующие над молекулярными явлениями законы статистики обусловили особый вид равновесия, а факт существования состояния термодинамического равновесия позволяет ввести понятие температуры.

Несмотря на то что с тепловыми явлениями люди познакомились еще в древности и даже античные ученые пытались их изучать, вплоть до ХУП1 в. не были установлены основные понятия и количественные соотношения этого раздела физики. Исторически понятие температуры возникло из ощущений. Словами «горячо», «холодно», «тепло» и т. п. люди пользовались для обозначения различной степени нагретости тел. Однако такое определение понятия температуры физического смысла не имеет и не дает способа измерения.

Научное содержание понятия температуры опирается на постулат о тепловом равновесии системы («всякая система в отсутствие внешних воздействий с течением времени приходит в состояние теплового равновесия и сама по себе выйти из него не может») и на свойства теплового равновесия.

Эти свойства следующие:

• 1) если два тела находятся в тепловом равновесии с одним и тем же третьим телом, то они находятся в тепловом равновесии друг с другом (транзитивность теплового равновесия);
• 2) существует такая физическая величина, значения которой во всех точках равновесной системы одинаковы; эту величину, характеризующую тепловое равновесие, называют температурой;
• 3) при равновесии возможно одно-единственное распределение энергии системы по ее частям; при увеличении энергии системы растут энергии ее частей.

В связи с этим температуру можно определить как функцию, характеризующую состояние равновесной системы, увеличивающуюся с ростом внутренней энергии системы. Статистический подход углубляет понятие температуры. С точки зрения молекулярных представлений температура — мера средней кинетической энергии молекул идеального газа. Связующим звеном между термодинамическим подходом и статистическим является постулат: распределение, которое осуществляется наибольшим числом микросостояний, соответствует равновесному состоянию.

Измерение температуры возможно благодаря транзитивности теплового равновесия. Сложность измерения температуры заключается в том, что она является интенсивным параметром, т. е. не обладает свойством аддитивности, поэтому ее нельзя сравнивать с эталоном. Для измерения используют зависимость свойства тела (объема, длины, давления) от температуры.

Исторически впервые для измерения температуры было использовано тепловое расширение. Первый прибор для измерения температуры (термоскоп) был сконструирован Г. Галилеем в 1597 г. Прибор был весьма несовершенным, но позволял судить о повышении и понижении температуры. С тех пор учеными предпринимались неоднократные попытки усовершенствовать термоскоп Г. Галилея. Однако все изготовленные термометры не имели общепринятой шкалы и каждый показывал свою температуру. В 1740 г, голландский стеклодув Д. Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр с двумя строго фиксированными точками шкалы'.

Изобретение термометра имело огромное значение для науки, поскольку оно привело к возможности количественного изучения тепловых явлений. Кроме того, было введено в употребление понятие температуры. Однако следует отметить, что использование в термометре тепловых свойств тел приводит к получению нескольких различных эмпирических шкал, так как делают допущение: объем термометрического тела изменяется линейно с изменением температуры. В действительности же коэффициент объемного расширения зависит от температуры. Кроме того, выбор реперных точек, приписанные им значения температур, а также число градусов, на которое делился температурный интервал, были произвольными. Следовательно, возникает необходимость в конструировании такого термометра, свойства термометрического тела которого зависели бы от температуры по строгому закону в достаточно большой области температур. Таким термометром является газовый термометр, а в качестве термометрического тела в нем выбирают идеальный газ. Об изменении температуры судят по изменению давления — газа при постоянном объеме. Для идеального газа строго выполняется соотношение:

.

Если поместить баллон газового термометра сначала в кипящую воду, а затем в тающий лед и измерить давления, то их отношение окажется равным 1,3661 (т. е. == 1,3661); полагают, что разность между температурой кипения воды и температурой таяния льда равна 100; за градус принимают этого интервала, т. е.

Т-Т₀=100, или Т=Т₀+100;

0,3661*Т₀=100; Т₀=273,15К.

Таким образом, по газовой шкале температура таяния льда составляет 273,15 К, а температура кипения воды 373,15 К. Нуль газовой шкалы соответствует температуре -273,15 °С; его называют абсолютным нулем температур.

Абсолютному нулю температур соответствует такое состояние системы, при котором она не может отдать энергию никакой другой системе, так как у нее нет более низких уровней, на которые она могла бы перейти, отдав энергию. При абсолютном нуле система совершает нулевые колебания, которым соответствует нулевая энергия. Этот вопрос подробно рассматривают в курсе квантовой механики.

Температура, равная абсолютному нулю, не достижима. В настоящее время удалось получить температуру на 0,1 К выше абсолютного нуля.

Газовый термометр неудобен в обращении, но является эталоном для градуировки термометров, употребляемых на практике. Однако нельзя сконструировать газовый термометр, который работал бы в широком интервале температур, так как нет газа, который можно было бы с достаточной степенью точности считать идеальным в таком интервале.

Температурную шкалу, не зависящую от термометрического тела, можно построить на основе положений термодинамики. Исходя из второго закона термодинамики, показывают, что коэффициент полезного действия обратимого цикла Карно не зависит от состава рабочего тела и выражается формулой:

где T₁— температура нагревателя, T₂ — температура холодильника.

Это равенство носит название теоремы Карно. С другой стороны:

где Q₁ — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q₂ — количество теплоты, отданное холодильнику.

Следовательно,.

Это равенство служит основанием для введения шкалы температур: измеряя количество теплоты, можно определить температуру и построить шкалу. Соответствующая температурная шкала названа абсолютной термодинамической шкалой или шкалой Кельвина.

За начало отсчета температуры по этой шкале принят абсолютный нуль — это такая температура, которую должен иметь холодильник, чтобы коэффициент полезного действия обратимого цикла Карно был равен единице. Для определения единицы измерения по этой шкале принято допущение: температуры кипения воды и таяния льда при нормальном давлении различаются на 100. Одна сотая этого интервала — кельвин (К).

Шкала Кельвина, или термодинамическая шкала, совпадает со шкалой газового термометра. Это связано с тем, что, используя первый закон термодинамики и термодинамическое понятие температуры, с одной стороны, и основное уравнение кинетической теории газов и «кинетическое» понятие температуры — с другой, приходят к одному и тому же уравнению P=const T при V=const.

В 1954 г. X Генеральная конференция по мерам и весам в качестве реперной точки термодинамической' шкалы определила температуру тройной точки воды. Это температура, при которой лед, вода и их насыщенный пар находятся в равновесии друг с другом. Выбор такой точки удобен тем, что есть лишь одно-единственное значение давления и температуры, при котором вода может одновременно существовать в трех состояниях. Тройная точка легко воспроизводима, ее температура равна 273,16 К точно. По шкале Цельсия эта температура соответствует 0,01 °С.

При таком выборе реперной точки новая термодинамическая шкала максимально приближена к шкале Кельвина. За единицу измерения температуры по новой шкале принят 1 К. Кельвин — температурного интервала между температурой тройной точки воды и абсолютным нулем. Разница между температурой какого-либо состояния по этой шкале и по шкале Цельсия составляет 273,15.