§ 4. Температура

физическая величина, характеризующая степень нагретости тела, а с точки зрения МКТ — меру средней кинетической энергии хаотического поступательного теплового движения молекул вещества.

• Температура характеризует тело в целом (огромную совокупность частиц), а не отдельную молекулу.

физические явления, важной характеристикой которых является температура (нагревание и охлаждение тел, плавление, кипение, испарение, тепловое расширение).

состояние изолированной системы тел, приведенных в тепловой контакт, при котором прекращается самопроизвольный теплообмен и температуры всех тел системы выравниваются.

• На наступлении теплового равновесия основана любая процедура измерения температуры.

измерительный прибор, принцип действия которого основан на тепловом расширении термометрической жидкости (ртути или подкрашенного спирта) при нагревании.

термометр со специальным сужением капилляра у резервуара; при охлаждении столбик жидкости разрывается в сужении, фиксируя максимальную достигнутую температуру тела.

• Шкала Цельсия (Андерс Цельсий, 1742 г.) — шкала с двумя реперными точками при нормальном атмосферном давлении: 0 °C (таяние льда) и 100 °C (кипение чистой воды).
• Шкала Кельвина (Уильям Томсон, лорд Кельвин, 1848 г.) — абсолютная термодинамическая шкала, начинающаяся от абсолютного нуля. Единица измерения — кельвин (К).
• Связь шкал: T = t + 273 (точнее: T = t + 273,15). Один кельвин равен одному градусу Цельсия по величине температурного интервала: ΔT = Δt.

предельно низкая теоретически возможная температура, при которой прекращается поступательное тепловое движение молекул вещества и давление идеального газа обращается в ноль.

Шведский астроном, физик и геолог, предложивший в 1742 году универсальную стоградусную температурную шкалу с опорными точками таяния льда и кипения воды.

• Разработал шкалу термометра, разделяющую интервал между точками таяния льда и кипения воды при нормальном давлении на 100 делений.
• В первоначальном варианте шкалы принял за ноль градусов температуру кипения воды, а за сто градусов — температуру замерзания льда.
• Его температурная шкала стала общепринятым международным стандартом в повседневной жизни, метеорологии и прикладных измерениях.

Британский физик, механик и математик, один из основоположников термодинамики (лорд Кельвин), создавший фундаментальную абсолютную шкалу температур.

• Предложил термодинамическую шкалу температур (шкалу Кельвина), начинающуюся от абсолютного нуля и широко используемую в современной науке.
• Определил абсолютный нуль (−273,15 °C) как предельно минимальную температуру, при которой прекращается тепловое хаотическое движение молекул.
• Установил, что цена одного деления шкалы Кельвина в точности равна одному градусу Цельсия, связав обе шкалы соотношением T = t + 273.

Примерами тепловых явлений служат: нагревание чайника на плите, остывание горячего чая в чашке, таяние весеннего снега и льда, испарение луж после дождя, замерзание воды в морозильнике, выпадение утренней росы или инея, а также тепловое расширение тел (удлинение железнодорожных рельсов в жаркий летний день).

Тепловым равновесием называют такое термодинамическое состояние системы контактирующих между собой тел, при котором прекращается самопроизвольный перенос энергии (теплообмен) между телами и температуры всех взаимодействующих тел становятся одинаковыми.

Обычный жидкостный термометр мгновенно вступает в теплообмен с окружающей воздушной средой. Как только его вынимают из измеряемой среды, уровень жидкости начинает немедленно изменяться (подниматься или опускаться) в сторону температуры воздуха в комнате, искажая результат. Максимальный (медицинский) термометр имеет сужение капилляра у основания резервуара: при охлаждении столбик ртути разрывается в узком месте и не может самостоятельно опуститься обратно в резервуар, сохраняя максимальное зафиксированное значение температуры до принудительного встряхивания.

Тепловое движение отличается следующими признаками:

• Масштаб и характер: механическое движение — это упорядоченное перемещение макроскопического тела или его видимых частей как единого целого в пространстве по определённой траектории. Тепловое движение — это непрерывное, хаотическое (беспорядочное) движение огромного числа микроскопических частиц (молекул и атомов), слагающих вещество.
• Траектории: частицы совершают хаотические зигзагообразные перемещения из-за постоянных соударений; траектория отдельной молекулы непредсказуема.
• Неуничтожимость: в изолированной системе механическое движение тела из-за трения может полностью прекратиться (превратившись во внутреннюю тепловую энергию), тогда как тепловое движение частиц не прекращается никогда (вплоть до абсолютного нуля).

Температура — физическая величина, характеризующая степень нагретости тела, а в молекулярно-кинетической теории — меру средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул вещества. Единицы температуры: в Международной системе единиц (СИ) — кельвин (К); на практике также широко применяется градус Цельсия (°C).

Связь прямая: чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия и средняя скорость хаотического движения его молекул, и наоборот.

• Доказывающие явления: явление диффузии протекает значительно быстрее в горячей воде или нагретом воздухе, чем в холодных (растворение сахара или чая в кипятке); интенсивность броуновского движения микрочастиц резко возрастает при подогреве жидкости; давление газа в замкнутом сосуде увеличивается при нагревании за счёт более частых и мощных ударов быстро движущихся молекул о стенки.

Абсолютный нуль температуры (0 К, или −273,15 °C) — предельная теоретически минимально возможная температура во Вселенной, при которой средняя кинетическая энергия поступательного хаотического движения молекул обращается в нуль (тепловое движение молекул полностью прекращается, а давление идеального газа при постоянном объёме становится равным нулю).

Связь между абсолютной температурой T (в кельвинах, К) и температурой t по шкале Цельсия (в °C) выражается соотношением:

T = t + 273 (или строго T = t + 273,15).

Соответственно, температура по шкале Цельсия находится как t = T − 273.