Одиниці виміру температури у системі си. Молекулярна фізика

ТЕМПЕРАТУРА ТА ЇЇ ВИМІР.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ГАЗОВІ ЗАКОНИ.

1.Теплова рівновага. Температура.

Температура- Це фізична величина, що характеризує ступінь нагрітості тіла. Якщо два тіла різної температури привести у зіткнення, те, як показує досвід, нагріте тіло буде охолоджуватися, а менш нагріте – нагріватися, тобто. відбувається теплообмін– передача енергії від більш нагрітого тіла до менш нагрітого без виконання роботи.

Енергія, що передається при теплообміні, називається кількістю теплоти.

Через деякий час після приведення тіл у зіткнення вони набувають однакового рівня нагрітості, тобто. приходять у стан теплової рівноваги.

Теплова рівновага- це такий стан системи тіл, що знаходяться в тепловому контакті, при якому теплообмін не відбувається і всі макропараметри тіл залишаються незмінними, якщо зовнішні умовине змінюються.

При цьому два параметри – об'єм та тиск – можуть бути різними для різних тіл системи, а третій – температура у разі теплової рівноваги однаковий для всіх тіл системи. На цьому ґрунтується визначення температури.

Фізичний параметр, однаковий всім тіл системи, що у стані теплового рівноваги, називається температуроюцієї системи.

Наприклад, система складається з двох судин із газом. Приведемо їх у дотик. Обсяг та тиск газу в них можуть бути різними, а температура в результаті теплообміну стане однаковою.

2.Вимірювання температури.

Для вимірювання температури використовують фізичні прилади – термометри, у яких величину температури судять зі зміни будь-якого параметра.

Для створення термометра необхідно:

Вибрати термометричну речовину, параметри (характеристики) якої змінюються при зміні температури (наприклад, ртуть, спирт тощо);

Вибрати термометричну величину, тобто. величину, що змінюється із зміною температури (наприклад, висота ртутного чи спиртового стовпчика, величина електричного опору тощо);

Відкалібрувати термометр, тобто. створити шкалу, за якою проводитиметься відлік температури. Для цього термометричне тіло наводиться в тепловий контакт із тілами, температури яких постійні. Наприклад, при побудові шкали Цельсія температура суміші води та льоду у стані плавлення приймається за 0 0 С, а температура суміші водяної пари та води у стані кипіння при тиску 1 атм. - за 100 0 С. Зазначається положення стовпчика рідини в обох випадках, а потім відстань між отриманими мітками ділиться на 100 поділів.

При вимірюванні температури термометр приводять у тепловий контакт з тілом, температура якого вимірюється, і після того, як встановиться теплова рівновага (покази термометра перестануть змінюватися), зчитується показання термометра.

3. Експериментальні газові закони.

Параметри, що описують стан системи взаємозалежні. Встановити залежність один від одного одразу трьох параметрів складно, тому трохи спростимо завдання. Розглянемо процеси, за яких

а) кількість речовини (чи маса) завжди, тобто. ν=const (m=const);

б) значення однієї з властивостей фіксовано, тобто. завжди або тиск, або обсяг, або температура.

Такі процеси називаються ізопроцесами.

1).Ізотермічний процес,тобто. процес, що відбувається з тим самим кількістю речовини при постійній температурі.

Досліджений Бойлем (1662) і Маріоттом (1676).

Спрощена схема дослідів така. Розглянемо посудину з газом, закритий рухомим поршнем, на який встановлюються вантажі, що врівноважують тиск газу.

Досвід показав, що тиск тиску на обсяг газу при постійній температурі є величина постійна. Це означає

PV= const

Закон Бойля-Маріотта.

Об'єм V даної кількості газу при постійній температурі t 0 назад пропорційний його тиску, тобто . .

Графіки ізотермічних процесів.

Графік залежності тиску від об'єму за постійної температури називається ізотермою. Чим більша температура, Тим вище на графіку розташовується ізотерма.

2).Ізобарний процес,тобто. процес, що відбувається з тим самим кількістю речовини при постійному тиску.

Досліджено Гей-Люссаком (1802 р.).

Спрощена схема така. Посудина з газом закрита рухомим поршнем, на якому встановлений вантаж, що врівноважує тиск газу. Посудина з газом нагрівається.

Досвід показав, що при нагріванні газу при постійному тиску його обсяг змінюється за таким законом: де V 0 - Обсяг газу при температурі t 0 = 0 0 C; V – обсяг газу при температурі t 0 , α v – температурний коефіцієнтоб'ємного розширення,

Закон Гей-Люссака.

Об'єм цієї кількості газу при постійному тиску лінійно залежить від температури.

Графіки ізобарних процесів.

Графік залежності обсягу газу від температури при постійному тиску називається ізобарою.

Якщо екстраполювати (продовжити) ізобар в область низьких температур, всі вони зійдуться в точці, що відповідає температурі t 0 = - 273 0 С.

3).Ізохорний процес, тобто. процес, що відбувається з тим самим кількістю речовини при постійному обсязі.

Досліджено Шарлем (1802 р.).

Спрощена схема така. Посудина з газом закрита рухомим поршнем, на який встановлюються вантажі, що врівноважують тиск газу. Посудина нагрівається.

Досвід показав, що при нагріванні газу при постійному обсязі його тиск змінюється за таким законом: де P 0 - Обсяг газу при температурі t 0 = 0 0 C; P – об'єм газу при температурі t 0 , p – температурний коефіцієнт тиску,

Закон Шарля.

Тиск кількості газу при постійному обсязі лінійно залежить від температури.

Графік залежності тиску газу від температури при постійному обсязі називається ізохорою.

Якщо екстраполювати (продовжити) ізохори в ділянку низьких температур, то всі вони зійдуться в точці, що відповідає температурі t 0 = - 273 0 С.

4.Абсолютна термодинамічна шкала.

Англійський вчений Кельвін запропонував перемістити початок температурної шкали вліво на 273° і назвати цю точку абсолютним нулем температури. Масштаб нової шкали такий самий, як і у шкали Цельсія. Нова шкала називається шкалою Кельвіна або абсолютною термодинамічною шкалою. Одиниця виміру – кельвін.

Нулю градусів Цельсія відповідає 273 К. Температура за шкалою Кельвіна позначається літерою Т.

T = t 0 C + 273

t 0 C = T – 273

Нова шкала виявилася зручнішою для запису газових законів.

Кожна людина щодня стикається із поняттям температури. Термін міцно увійшов у наше повсякденне життя: ми розігріваємо у мікрохвильової печіпродукти або готуємо їжу в духовці, цікавимося погодою на вулиці або дізнаємося, чи холодна вода в річці - все це тісно пов'язане з цим поняттям. А що таке температура, що означає цей фізичний параметр, у чому він вимірюється? На ці та інші питання відповімо у статті.

Фізична величина

Давайте розглянемо, що таке температура з погляду ізольованої системи, що у термодинамічному рівновазі. Термін прийшов із латинської мовиі означає "належне змішання", " нормальний станЦя величина характеризує стан термодинамічної рівноваги будь-якої макроскопічної системи. У тому випадку, коли знаходиться поза рівновагою, з часом відбувається перехід енергії від більш нагрітих об'єктів до менш нагрітих. В результаті виходить вирівнювання (зміна) температури в всієї системи.Це є першим постулатом ( нульовим початком) термодинаміки.

Температура визначає розподіл складових частинок системи за рівнями енергії та за швидкостями, ступінь іонізації речовин, властивості рівноважного електромагнітного випромінюваннятіл, повну об'ємну щільністьвипромінювання. Так як для системи, яка знаходиться в термодинамічній рівновазі, перелічені параметри рівні, їх прийнято називати температурою системи.

Плазма

Крім рівноважних тіл, існують системи, у яких стан характеризується декількома значеннями температури, не рівними між собою. Гарним прикладомє плазма. Вона складається з електронів (легких заряджених частинок) та іонів (важких заряджених частинок). При їх зіткненнях відбувається швидка передача енергії від електрона електрону і від іона до іона. А от між неоднорідними елементами відбувається повільний перехід. Плазма може бути в стані, при якому електрони та іони окремо близькі до рівноваги. У такому разі можна прийняти окремі температури кожного виду частинок. Однак між собою ці параметри відрізнятимуться.

Магніти

У тілах, у яких частинки мають магнітним моментом, передача енергії зазвичай відбувається повільно: від поступальних до магнітних ступенів свободи, які пов'язані з можливістю зміни напрямків моменту. Виходить, що існують стани, за яких тіло характеризується температурою, що не збігається з кінетичним параметром. Вона відповідає поступальному руху елементарних частинок. Магнітна температура визначає частину внутрішньої енергії. Вона може бути як позитивною, так і негативною. У процесі вирівнювання енергія передаватиметься від частинок з великим значеннямдо частинок з меншим значеннямтемператури у разі, якщо є одночасно позитивними чи негативними. У неприємній ситуації цей процес протікатиме в зворотному напрямку- негативна температура буде «вищою» за позитивну.

А навіщо це треба?

Парадокс полягає в тому, що обивателю, щоб провести процес вимірювання як у побуті, так і в промисловості, навіть не потрібно знати, що таке температура. Для нього буде достатнім розуміти, що це ступінь нагрітості об'єкта чи середовища, тим більше, що з цими термінами ми знайомі з дитинства. Справді, більша частинапрактичних приладів, призначених для виміру цього параметра, фактично вимірює інші властивості речовин, що змінюються від рівня нагрівання або охолодження. Наприклад, тиск, електричний опір, обсяг т. д. Далі такі показання вручну або автоматично перераховуються на потрібну величину.

Виходить, щоб визначити температуру, не потрібно вивчати фізику. За таким принципом живе більшість населення нашої планети. Якщо працює телевізор, то не потрібно розбиратися в перехідних процесах напівпровідникових приладів, вивчати в розетці або як надходить на сигнал. Люди звикли, що в кожній області є фахівці, які зможуть полагодити або налагодити систему. Обиватель не хоче напружувати свій мозок, адже куди краще дивитися мильну оперу чи футбол по «шухляді», потягуючи холодне пиво.

А я хочу знати

Але є люди, які найчастіше це студенти, які або в міру своєї допитливості, або за потребою змушені вивчати фізику та визначати, що таке температура насправді. В результаті у своєму пошуку вони потрапляють у нетрі термодинаміки та вивчають її нульовий, перший та другий закони. Крім того, допитливому розуму доведеться осягнути ентропію. І наприкінці свого шляху він, напевно, визнає, що визначення температури як параметра оборотної теплової системи, яка не залежить від типу робочої речовини, не додасть ясності у відчуття цього поняття. І все рівно видимою частиноюбудуть прийняті міжнародною системою одиниць (СІ) якісь градуси.

Температура як кінетична енергія

Більш "відчутним" є підхід, який називають молекулярно-кінетичною теорією. З нього формується уявлення того, що теплота розглядається як одна з форм енергії. Наприклад, кінетична енергіямолекул і атомів, параметр, усереднений по величезному числухаотично рухомих частинок виявляється мірилом того, що прийнято називати температурою тіла. Так, частки нагрітої системи рухаються швидше, ніж холодної.

Оскільки термін, що розглядається, тісно пов'язаний з усередненою кінетичною енергією групи частинок, було б цілком природним в якості одиниці вимірювання температури використовувати джоуль. Тим не менш, цього не відбувається, що пояснюється тим, що енергія теплового рухуелементарних частинок дуже мала щодо джоуля. Тому використання його незручне. Тепловий рух вимірюють в одиницях, отриманих з джоулів у вигляді спеціального переказного коефіцієнта.

Одиниці вимірювання температури

На сьогоднішній день використовують три основні одиниці для відображення цього параметра. У нашій країні температуру прийнято визначати у градусах за Цельсієм. В основі цієї одиниці виміру лежить точка твердіння води – абсолютне значення. Вона є початком відліку. Тобто температура води, за якої починає утворюватися лід, є нулем. У даному випадкувода служить зразковим мірилом. Це умовне значеннябуло прийнято для зручності. Другим абсолютним значеннямє температура пари, тобто момент, коли вода з рідкого станупереходить у газоподібне.

Наступною одиницею є градуси за Кельвіном. Початком відліку цієї системи прийнято вважати точку Так, один градус Кельвіна дорівнює одному Відмінністю є лише початок відліку. Отримуємо, що нуль по Кельвіну дорівнюватиме мінус 273,16 градусів за Цельсієм. У 1954 році на Генеральній конференції з мір і ваг було вирішено замінити термін "градус Кельвіна" для одиниці температури на "кельвін".

Третьою загальноприйнятою одиницею виміру є градуси Фаренгейта. До 1960 року вони широко використовувалися у всіх англомовних країнах. Однак і сьогодні у побуті США використовують цю одиницю. Система докорінно відрізняється від описаних вище. За початок відліку прийнято температуру замерзання суміші солі, нашатирю та води в пропорції 1:1:1. Так, на шкалі Фаренгейта точка замерзання води дорівнює плюс 32 градуси, а кипіння - плюс 212 градусів. У цій системі один градус дорівнює 1/180 різниці цих температур. Так, діапазон від 0 до +100 градусів за Фаренгейтом відповідає діапазону від -18 до +38 за Цельсієм.

Абсолютний нуль температури

Давайте розберемося, що означає цей параметр. Абсолютним нулемназивають значення граничної температури, коли тиск ідеального газу звернеться в нуль при фіксованому обсязі. Це саме низьке значенняв природі. Як передбачав Михайло Ломоносов, "це найбільший або останній ступінь холоду". З цього випливає хімічний рівних обсягахгазів за умови однакової температури та тиску міститься однакова кількість молекул. Що з цього випливає? Існує мінімальна температура газу, за якої його тиск або обсяг обернуться в нуль. Ця абсолютна величинавідповідає нулю за Кельвіном, або 273 градусів за Цельсієм.

Декілька цікавих фактів про Сонячну систему

Температура на поверхні Сонця досягає 5700 кельвінів, а в центрі ядра – 15 мільйонів кельвінів. Планети Сонячна системасильно відрізняються один від одного за рівнем нагрівання. Так, температура ядра нашої Землі становить приблизно стільки, скільки на поверхні Сонця. Самої гарячою планетоювважається Юпітер. Температура в центрі його ядра вп'ятеро вища, ніж на поверхні Сонця. А ось найнижче значення параметра зафіксували на поверхні Місяця - воно становило лише 30 кельвінів. Це навіть нижче, ніж Плутона.

Факти про землю

1. Найголовніше високе значеннятемператури, яку зафіксувала людина, становило 4 мільярди градусів за Цельсієм. Ця величина у 250 разів перевищує температуру ядра Сонця. Рекорд поставлений Нью-Йоркською природною лабораторією Брукхевена в іонному колайдері, довжина якого складає близько 4 км.

2. Температура на нашій планеті теж не завжди ідеальна та комфортна. Наприклад, у місті Верхноянську в Якутії температура в зимовий періодопускається до мінус 45 градусів за Цельсієм. А ось в ефіопському місті Даллол – зворотна ситуація. там середньорічна температураскладає плюс 34 градуси.

3. Найбільш екстремальні умови, при яких працюють люди, зафіксовані у золотих шахтах у Південній Африці. Шахтарі працюють на глибині трьох кілометрів за температури плюс 65 градусів за Цельсієм.

З рівняння (2.4)

слід, що тиск ідеального газу пропорційно його щільності (щільність газу визначається числом молекул в одиниці об'єму) та середньої кінетичної енергії поступального руху молекул. При постійному отже, при постійному обсязі V газу де число молекул у посудині) тиск газу залежить тільки від середньої кінетичної енергії молекул.

Тим часом, з досвіду відомо, що при постійному обсязі тиск газу можна змінювати тільки одним способом: його нагріванням або охолодженням; при нагріванні газу його тиск зростає, при охолодженні зменшується. Нагрітий і охолоджений газ, як і всяке тіло, характеризується своєю температурою - особливою величиною, якою здавна користуються у науці, техніці й у побуті. Отже, між температурою та середньою кінетичною енергією молекул має існувати зв'язок.

Перш ніж ми з'ясуємо цей зв'язок, подивимося, що є температура як фізична величина.

У повсякденному життітемпература для нас – величина, яка відрізняє «гаряче» від «холодного». І перші уявлення про температуру виникли з відчуттів тепла та холоду. Ми можемо використати ці знайомі нам відчуття, щоб з'ясувати головну особливістьтемператури як фізичної величини.

Візьмемо три судини. В один з них наллємо гарячу воду, в інший - холодну, а в третій - суміш гарячої та холодної води. Опустимо одну руку, наприклад праву, в посудину з гарячою водою, а ліву - у посудину з холодною. Потримавши руки деякий час у цих судинах, перенесемо їх у третю посудину. Що скажуть нам наші відчуття про воду у цій посудині? Права рука здасться, що вода

у ньому холодна, а лівою – що вона тепла. Але це «суперечність» зникне, якщо потримати обидві руки в третій посудині довше. Через деякий час обидві руки будуть відчувати однакові відчуття, що відповідають температурі води в третій посудині.

Вся справа в тому, що руки, які побували спочатку в судинах з гарячою та холодною водою, мали різні температури, відмінні і одна від одної, і від температури в третій посудині. І потрібен деякий час, щоб температура кожної з рук стала рівною температурі води, в яку вони занурені. Тоді й температури рук стануть однакові. Однакові будуть і відчуття. Необхідно, як кажуть, щоб у системі тіл права рука - ліва рука- вода» встановилася теплова рівновага.

Цей простий досвід показує, що температура - це величина, що характеризує стан теплової рівноваги: ​​у тіл, що перебувають у стані теплової рівноваги, однакові температури. І навпаки, тіла з однаковою температурою перебувають у тепловій рівновазі одне з одним. А якщо два тіла знаходяться в тепловій рівновазі з якимось третім тілом, то обидва тіла знаходяться в тепловій рівновазі і між собою. Це важливе твердження є одним із основних законів природи. І на ньому заснована сама можливість вимірювання температури. В описаному досвіді, наприклад, йшлося про теплову рівновагу обох рук, після того, як кожна з них опинилася в тепловій рівновазі з водою.

Якщо тіло або система тіл не знаходиться в стані теплової рівноваги і якщо система ізольована (не взаємодіє з іншими тілами), через деякий час стан теплової рівноваги встановлюється само собою. Стан теплової рівноваги - це і є стан, який переходить будь-яка ізольована система. Після того, як такий стан досягнуто, він уже більше не змінюється і ніяких макроскопічних змін у системі не відбувається. Однією з ознак стану теплової рівноваги є рівність температур всіх частин тіла або всіх тіл системи. Відомо, що в процесі встановлення теплової рівноваги, тобто при вирівнюванні температури двох тіл відбувається передача теплоти від одного тіла іншому. Отже, з експериментальної точки зору температура тіла - це величина, яка визначає, чи воно іншому тілу з іншою температурою передаватиме теплоту або отримувати від нього теплоту.

Температура займає декілька особливе місцеу ряді фізичних величин. Це не дивно, якщо врахувати, що в ту епоху, коли ця величина з'явилася в науці, не було відомо, які саме внутрішні процесиу речовині викликають відчуття тепла та холоду.

Своєрідність температури як фізичної величини полягає насамперед у тому, що вона, на відміну багатьох інших величин,

не адитивна. Це означає, якщо подумки розділити тіло на частини, то температура всього тіла не дорівнює сумі температур його частин. Цим температура відрізняється від таких, наприклад, величин, як довжина, об'єм, маса, значення яких для тіла складаються зі значень відповідних величин для його частин.

Внаслідок цього температуру тіла не можна вимірювати безпосередньо, як вимірюють довжину чи масу, т. е. шляхом порівняння з зразком. Якщо про один стрижень можна сказати, що його довжина в стільки разів більше довжиниіншого стрижня, то питання про те, скільки разів одна температура міститься в іншій, не має сенсу.

Для вимірювання температури здавна користуються тим, що за зміни температури тіла змінюються та її властивості. Змінюються, отже, величини, що характеризують ці властивості. Тому для створення приладу, що вимірює температуру, тобто термометра, вибирають будь-яку речовину (термометричну речовину) та певну величину, що характеризує властивість речовини (термометричну величину). Вибір того й іншого цілком довільний. У побутових термометрах, наприклад, термометричною речовиною є ртуть, а термометричною величиною – довжина ртутного стовпчика.

Для того щоб величині температури можна було зіставити певні числові значення, потрібно ще поставити ту чи іншу залежність термометричної величини від температури. Вибір цієї залежності теж довільний: адже поки що немає термометра, не можна досвідченим шляхом встановити цю залежність! У разі ртутного термометра, наприклад, обирається лінійна залежністьдовжини ртутного стовпчика (об'єму ртуті) від температури.

Залишається встановити одиницю температури - градус (хоча в принципі її можна було б виражати в тих же одиницях, в яких вимірюється термометрична величина, наприклад по ртутному термометру - в сантиметрах!). Величина градуса обирається теж довільно (як і термометрична речовина, термометрична величина та вид функції, що зв'язує термометричну величину з температурою). Розмір градуса встановлюється в такий спосіб. Вибирають, знову-таки довільно, дві температури (їх називають реперними точками) - зазвичай це температури танення льоду та кипіння води при атмосферному тиску- і ділять цей температурний інтервал на деяке (теж довільне) число рівних частин- градусів, а одній із цих двох температур приписують певне числове значення. Тим самим визначається значення другої температури та будь-якої проміжної. Таким чином одержують температурну шкалу. Зрозуміло, що за допомогою описаної процедури можна отримати безліч різних термометрів і температурних шкал,

Сучасна термометрія заснована на шкалі ідеального газу, що встановлюється за допомогою газового термометра. У принципі газовий термометр - це закритий посуд, наповнений ідеальним газом і з манометром для вимірювання тиску газу. Значить термометричним речовиною у такому термометрі служить ідеальний газ, а термометричною величиною - тиск газу за постійному обсязі. Залежність тиску від температури приймається (саме приймається!) Лінійною. Таке припущення призводить до того, що відношення тисків при температурах кипіння води та танення льоду дорівнює відношенню самих цих температур:

Ставлення легко визначити із досвіду. Численні виміри показали, що

Отже, отже, і значення відношення температур:

Розмір градуса вибирається розподілом різниці на сто частин:

З останніх двох рівнів випливає, що температура танення льоду за обраною нами шкалою дорівнює 273,15 градусів, а температура кипіння води Тк дорівнює 373,15 градусів. Для того щоб за допомогою газового термометра виміряти температуру якогось тіла, треба привести тіло в контакт з газовим термометром і, дочекавшись рівноваги, виміряти тиск газу в термометрі. Тоді температура тіла визначається за формулою

де тиск газу в термометрі, поміщеному в лід, що тане.

У практиці газовим термометром користуються дуже рідко. На нього покладено найбільш відповідальну роль - по ньому градуюються всі вживані термометри.

Температура, що дорівнює нулю в нашій шкалі, - це, очевидно, температура, при якій тиск ідеального газу дорівнював би нулю. (Це не означає, що ідеальний газ насправді можна настільки охолодити, що його тиск стане рівним нулю.) Якщо при нулі температурної шкали термометрична величина перетворюється на нуль, то така шкала називається абсолютною шкалою, а температура, відрахована за такою шкалою, називається абсолютною температурою. Описана тут шкала газового термометра є абсолютною. Її часто називають також шкалою Кельвіна,

а одиницю температури в цій шкалі – градусом Кельвіна або просто кельвіном (позначення: К).

У техніці та побуті часто використовується температурна шкала, що відрізняється від описаної тим, що температурі танення льоду приписується значення нуль (при тому розмірі градуса). Ця шкала називається шкалою Цельсія. Температура, що відраховується за цією шкалою, пов'язана з абсолютною температурою очевидним співвідношенням:

Ми будемо надалі користуватися шкалою Кельвіна.

З того, що тут було сказано, випливає, що температура характеризує теплову рівновагу тіл: при переході до стану рівноваги температури тіл вирівнюються, а в стані рівноваги температура всіх частин тіла або системи тіл одна і та ж, З цим пов'язана сама процедура вимірювання температури. Адже для того, щоб виміряти значення термометричної величини при температурах танення льоду і кипіння води, термометр необхідно привести в стан рівноваги з льодом, що тане, і з киплячою водою, а щоб виміряти температуру якогось тіла, необхідно забезпечити можливість встановлення теплової рівноваги між термометром і тілом . І лише тоді, коли така рівновага досягнута, можна вважати, що температура тіла дорівнює температурі, відрахованої за термометром.

Отже, температура - те, що вирівнюється у процесі встановлення рівноваги у системі. Але саме поняття вирівнювання означає, що з однієї частини системи щось передається в іншу. Отримане нами рівняння (2.4) для тиску ідеального газу дозволить нам зрозуміти, що це «щось».

Уявімо ізольований циліндр з ідеальним газом, в якому вже встановилася теплова рівновага, так що температура у всіх частинах об'єму газу однакова. Припустимо, що, без порушення рівноваги, в циліндр поміщений рухомий поршень, що поділяє об'єм газу на дві частини (рис. 3, а). В умовах рівноваги поршень перебуватиме у спокої. Це означає, що з рівновазі як температури, а й тиску з обох боків поршня однакові. Відповідно до рівняння (2.4) однакові та величини

Порушимо тепер тимчасово ізоляцію нашого циліндра з газом і нагріємо одну з його частин, наприклад ту, що по лівий біквід поршня, після чого знову відновимо ізоляцію. Тепер газ у циліндрі не знаходиться в рівновазі – температура у лівому відділенні вища, ніж у правому (рис. 3, б). Але газ ізольований, і сам собою розпочнеться перехід до стану рівноваги. Ми побачимо, що поршень почне рухатися зліва направо. А це означає, що відбувається робота і, отже, від газу у лівому відділенні газу в правому через поршень передається енергія. Отже, те, що передається у процесі встановлення теплової рівноваги, – це енергія. Через деякий час рух поршня припиниться. Але зупиниться поршень після низки вагань. І зупиниться він у тому самому місці, де він знаходився до того, як ліве відділення циліндра зазнало нагрівання. У циліндрі із газом знову встановився стан рівноваги. Але тепер температура газу та його тиск, звичайно, вища, ніж до нагрівання.

Оскільки поршень зупинився на колишньому місці, то концентрація молекул (тобто число молекул в одиниці об'єму) залишилася незмінною. Це означає, що внаслідок нагрівання газу змінилася лише середня кінетична енергія його молекул. Вирівнювання температури, отже, означає вирівнювання значень середньої кінетичної енергії молекул з обох боків поршня. При переході до рівноваги від однієї частини газу в іншу передається енергія, але вирівнюється не енергія всього газу як цілого, а середня кінетична енергія, віднесена до однієї молекули. Саме середня кінетична енергія молекули поводиться як температура.

Ці дві величини подібні ще й тим, що середня кінетична енергія, як і температура, - величина не адитивна, вона однакова для газу і для будь-якої його частини (що містить досить велике число молекул). Енергія всього газу - величина, звичайно, адитивна, - вона складається з енергій його частин.

Не слід думати, що наші міркування стосуються лише випадку, коли газ у циліндрі розділений на дві частини поршнем. І без поршня молекули при зіткненнях між собою обмінювалися б енергією і вона передавалася від більш нагрітої частини до менш нагрітої, у результаті вирівнялися б середні кінетичні енергії молекул. Поршень лише робить передачу енергії хіба що видимої, оскільки його рух пов'язані з скоєнням роботи.

Наведені прості, хоча й дуже строгі міркування показують, що величина, давно відома під назвою температури, насправді є середню кінетичну енергію поступального руху молекул. Те, що ми отримали цей результат для ідеального газу, не змінює

У застосуванні до ідеальному газузручніше вважати, що температура дорівнює двом третинам середньої кінетичної енергії молекул, оскільки це спростить вид формули (2.4) для тиску газу. Позначивши певну таким чином температуру буквою, ми можемо написати:

Тоді рівняння (2.4) набуде простого вигляду:

При такому визначенні температури вона, очевидно, має вимірюватися в одиницях енергії (у системі СІ – у джоулях, у системі одиниць СГС – в ергах). Однак практично користуватися такою одиницею температури незручно. Навіть така мала одиниця енергії, як занадто велика, щоб бути одиницею вимірювання температури. При користуванні нею зазвичай зустрічаються температури виражалися б мізерно малими числами. Наприклад, температура танення льоду дорівнювала б . До того ж і вимірювання температури, що виражається в ергах, було б дуже важко.

З цієї причини, а також тому, що величиною температури користувалися ще задовго до того, як були розвинені молекулярно-кінетичні уявлення, що роз'яснили справжній сенс температури, її таки вимірюють у старих одиницях - градусах, незважаючи на умовність цієї одиниці.

Але якщо вимірювати температуру в градусах, необхідно ввести відповідний коефіцієнт, що переводить одиниці енергії і градуси. Його прийнято позначати буквою Тоді зв'язок між температурою вимірюваної в градусах і середньою кінетичною енергією виражається рівністю:

Нагадаємо, що формула (3.1) відноситься до молекули, яку ми домовилися вважати подібною точкою. Її кінетична енергія – це кінетична енергія поступального руху, швидкість якого може бути розкладена на три складові. Внаслідок хаотичності молекулярних рухів можна прийняти, що енергія

молекули рівномірно розподіляється за всіма трьома складовими швидкості, так що на кожну з них припадає енергія

Множник, що виражає співвідношення між одиницею енергії і одиницею температури - кельвіном, називається постійної Больцмана. Зрозуміло, що його числове значення має бути встановлене експериментально. З огляду на особливу важливість цієї постійної вона була визначена багатьма методами. Наводимо найточніше до теперішнього часу значення цієї постійної. У системі одиниць СІ

У системі одиниць СГС

З формули (3.1) слід, що нулем температури є температура, коли середня кінетична енергія безладних рухів молекул дорівнює нулю, т. е. температура, коли він хаотичні руху молекул припиняються. Це і є абсолютний нуль, початок відліку абсолютної температури, про який згадувалося вище.

З формули (3,1) випливає також, що негативних температур не може бути, оскільки кінетична енергія - істотно позитивна величина. Втім, нижче, в гол. VI, буде показано, що для певних системможна формально запровадити поняття про негативні температури. Про них, щоправда, не можна буде сказати, що це температури нижче абсолютного нуляі що вони належать до рівноважного стану системи.

Оскільки температура визначається середньою енергією руху молекул, вона, як і тиск, є статистичною величиною. Не можна говорити про «температуру» однієї чи небагатьох молекул, про «гарячі» чи «холодні» молекули. Не має сенсу, наприклад, говорити про температуру газу в космічному просторі, Де число молекул в одиниці об'єму настільки мало, що вони не утворюють газу в звичайному значенні слова і не можна говорити про середню енергію руху молекул.

Енергії, пов'язані з хаотичними рухами частинок газу, дуже малі. З формули (3.1) і з наведеного значення постійної Больцмана видно, що температурі в 1 К відповідає енергія, рівна При найнижчій досягнутій до теперішнього часу температурі (порядку 10 6 К) середня енергіямолекул дорівнює приблизно 109 джоулів. Навіть найвищою штучно отриманою температурою - близько 100 мільйонів градусів, що розвивається під час вибуху ядерної бомби- відповідає нікчемна енергія частинок джоуля.

Зважаючи на те, що температура грає дуже важливу рольу фізиці та техніці, вона входить поряд з довжиною, масою та часом до числа основних величин системи одиниць СІ, а одиниця температури, кельвін, входить до числа основних одиниць цієї системи (розмірність температури позначається буквою в).

У СІ одиниця температури (кельвін) встановлюється не на основі температурного інтервалу «температура льоду, що тане, - температура киплячої води», а на основі інтервалу «абсолютний нуль - температура потрійної точки води». Потрійна точка води - це температура, за якої вода, водяна пара і лід перебувають у рівновазі (див. § 130). Температурі потрійної точки води приписується значення 273,16 К (точно).

Таким чином, 1 кельвін дорівнює частині температурного інтервалу від абсолютного нуля до температури потрійної точки води.

Так як температура потрійної точки води дорівнює 0,01 ° С, то розміри градусу в шкалах Цельсія і Кельвіна однакові і будь-яка температура може виражатися або в градусах Цельсія або в кельвінах

Що характеризує тепловий стан тел.

У навколишньому світі відбуваються різні явища, пов'язані з нагріванням та охолодженням тіл. Їх називають тепловими явищами. Так, при нагріванні холодна водаспочатку стає теплою, а потім гарячою; Вийнята з полум'я металева деталь поступово охолоджується і т. д. Ступінь нагрітості тіла, або його тепловий стан, ми позначаємо словами «теплий», «холодний», «гарячий», кількісної оцінкицього стану і слугує температура.

Температура - один із макроскопічних параметрів системи. У фізиці, тіла, що складаються з дуже великої кількостіатомів або молекул макроскопічними. Розміри макроскопічних тіл багаторазово перевищують розміри атомів. Усі оточуючі тіла — від столу чи газу в повітряній кульцідо піщинки - макроскопічні тіла.

Величини, що характеризують стан макроскопічних тіл без урахування їх молекулярної будови, називають макроскопічними параметрами. До них відносяться обсяг, тиск, температура, концентрація частинок, маса, щільність, намагніченість і т. д. Температура - один з найважливіших макроскопічних параметрів системи (газу, зокрема).

Температура – ​​характеристика теплової рівноваги системи.

Відомо, що для визначення температури середовища слід помістити в це середовище термометр і почекати до тих пір, поки температура термометра не перестане змінюватися, прийнявши значення, що дорівнює температурі довкілля. Іншими словами, потрібен деякий час для встановлення між середовищем та термометром теплової рівноваги.

Тепловим, або термодинамічний, рівновагоюназивають такий стан, при якому всі макроскопічні параметри як завгодно довго залишаються незмінними. Це означає, що не змінюються об'єм та тиск у системі, не відбуваються фазові перетворення, не змінюється температура.

Однак мікроскопічні процеси при тепловій рівновазі не припиняються: швидкості молекул змінюються, вони переміщаються, стикаються.

Будь-яке макроскопічне тіло або група макроскопічних тіл. термодинамічна система— може перебувати у різних станахтеплової рівноваги. У кожному з цих станів температура має своє цілком певне значення. Інші величини можуть мати різні (але постійні) значення. Наприклад, тиск стисненого газу в балоні відрізнятиметься від тиску в приміщенні та при температурній рівновазі всієї системи тіл у цьому приміщенні.

Температура характеризує стан теплової рівноваги макроскопічної системи: у всіх частинах системи, що перебувають у стані теплової рівноваги, температура має одне й те саме значення (це єдиний макроскопічний параметр, що має таку властивість).

Якщо два тіла мають однакову температуру, між ними не відбувається теплообмін, якщо різну — теплообмін відбувається, причому тепло передається від більш нагрітого до менш нагрітого до повного вирівнювання температур.

Вимірювання температури засноване на залежності будь-якої фізичної величини (наприклад, обсягу) від температури. Ця залежність і використовується в температурній шкалі термометра - приладу, що служить для вимірювання температури.

Дія термометра заснована на тепловому розширенніречовини. При нагріванні стовпчик речовини, що використовується в термометрі (наприклад, ртуті або спирту) збільшується, при охолодженні — зменшується. Термометри, що використовуються в побуті, дозволяють виразити температуру речовини в градусах Цельсія (°С) .

А. Цельсій (1701-1744) - шведський вчений, який запропонував використати стоградусну шкалу температур. У температурній шкалі Цельсія за нуль (з середини XVIIIв.) приймається температура льоду, що тане, а за 100 градусом - температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску.

Оскільки різні рідини розширюються з підвищенням температури по-різному, то температурні шкалив термометрах із різними рідинами різні.

Тому у фізиці використовують ідеальну газову шкалу температур, засновану на залежності обсягу (при постійному тиску) або тиску (при постійному обсязі) газу від температури.