§ 4. Температура

ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ

• Мир тепловых явлений: Изменение температуры окружающих тел приводит к масштабным физическим превращениям: нагреванию и охлаждению, замерзанию рек, таянию снегов, плавлению парафина и металлов, кипению жидкостей. Все процессы, связанные с изменением температуры или переходом веществ из одного агрегатного состояния в другое, называют тепловыми явлениями.

• Ненадёжность человеческих чувств: В быту мы оцениваем степень нагретости тел на ощупь, называя предметы горячими, тёплыми или холодными. Однако осязание субъективно и обманчиво:
  • Опыт с тремя сосудами: Если опустить левую руку в холодную воду, а правую — в горячую, а затем перенести обе руки в сосуд с водой комнатной температуры, то левая рука почувствует тепло, а правая — холод! Для точной физической оценки степени нагретости необходимы строгие объективные приборы.

• Тепловое равновесие: Если привести в соприкосновение несколько тел с разной начальной температурой (например, опустить горячую ложку в холодный чай), между ними начнётся самопроизвольный теплообмен. Через определённое время температуры всех тел неизбежно выровняются, и теплообмен прекратится. Такое состояние физической системы называют тепловым равновесием. Именно на законе достижения теплового равновесия основана любая методика измерения температуры.

ТЕРМОМЕТРЫ И ШКАЛА ЦЕЛЬСИЯ

• Принцип действия термометра: Любой термометр при погружении в среду вступает с ней в теплообмен и через несколько минут достигает состояния теплового равновесия. Следовательно, термометр всегда измеряет свою собственную температуру, которая равна температуре исследуемого тела.

• Жидкостные термометры: Основаны на явлении теплового расширения жидкостей (ртути или подкрашенного спирта). При нагревании объём жидкости в резервуаре увеличивается, и столбик поднимается по узкой капиллярной трубке.

• Максимальный медицинский градусник: В основании капилляра медицинского термометра сделано специальное узкое сужение. При нагревании ртуть свободно расширяется и проталкивается вверх, но при охлаждении столбик не может сам уйти обратно в резервуар — сила сцепления ртути разрывается в месте сужения. Градусник фиксирует максимальное значение температуры тела, и его можно спокойно рассматривать после извлечения (для сброса показаний его необходимо резко встряхнуть).

• Шкала Цельсия:
  • Была предложена в 1742 году шведским астрономом и физиком Андерсом Цельсием.
  • Реперные точки: 0 °C — температура таяния чистого льда при нормальном атмосферном давлении; 100 °C — температура кипения чистой воды.
  • Интервал между этими точками разделён ровно на 100 делений; одно деление соответствует 1 °C (одному градусу Цельсия). Температура по шкале Цельсия обозначается строчной латинской буквой $t$.

МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ТЕМПЕРАТУРЫ: КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ МОЛЕКУЛ

• Отличие теплового движения от механического:
  • В механическом движении тело перемещается в пространстве как единое целое, все его точки двигаются по строго определённым траекториям, и можно точно рассчитать координату и скорость объекта в любой момент времени (например, полёт стрелы или движение автомобиля).
  • В тепловом движении участвуют колоссальные коллективы молекул (триллионы частиц), которые непрерывно и хаотично летят во всех направлениях, сталкиваясь миллиарды раз за секунду. Зафиксировать координаты и скорости каждой отдельной молекулы принципиально невозможно.

• Температура как характеристика коллектива (ансамбля) молекул: Температура — это не свойство отдельной изолированной молекулы (нельзя сказать «горячая молекула» или «холодная молекула»), а статистическая характеристика всего ансамбля частиц в целом.

• Связь температуры со средней кинетической энергией:
  • Наблюдения за броуновским движением показывают: чем выше температура жидкости, тем яростнее и быстрее мечутся взвешенные частицы, а значит, тем выше скорости ударяющих в них невидимых молекул.
  • Фундаментальный физический вывод: Температура — это физическая величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию теплового хаотического движения частиц вещества.
  • При нагревании средняя скорость и средняя кинетическая энергия молекул возрастают; при охлаждении — падают.
  • При тепловом равновесии соприкасающихся тел средние кинетические энергии хаотического движения их молекул становятся равными.

АБСОЛЮТНЫЙ НОЛЬ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ШКАЛА КЕЛЬВИНА

• Абсолютный ноль температур: Если охлаждать тело, хаотическое движение молекул будет замедляться, а их кинетическая энергия убывать. Существует предельная минимальная температура, при которой тепловое движение молекул вещества полностью прекратилось бы, а их кинетическая энергия обратилась бы в ноль. Эту теоретическую границу называют абсолютным нулём температуры.
  • Более низкой температуры в природе существовать не может!
  • По шкале Цельсия абсолютный ноль соответствует $-273,15^\circ\text{C}$ (в школьном курсе округляют до -273 °C).

• Термодинамическая шкала Кельвина:
  • Разработана выдающимся британским физиком Уильямом Томсоном (лордом Кельвином).
  • За начало отсчёта ($0\text{ К}$) принят абсолютный ноль. В шкале Кельвина не бывает отрицательных значений.
  • Единица абсолютной температуры в Международной системе единиц (СИ) — кельвин (К).
  • Цена одного деления по шкале Кельвина в точности совпадает с ценой деления шкалы Цельсия ($1\text{ К} = 1^\circ\text{C}$).
  • Формула связи шкал:

(где $T$ — абсолютная температура в Кельвинах, $t$ — температура по шкале Цельсия).