Что температура тела в физике. Молекулярная физика

• Температу́ра (от лат. temperatura - надлежащее смешение, нормальное состояние) - физическая величина, характеризующая термодинамическую систему и количественно выражающая интуитивное понятие о различной степени нагретости тел.

  Живые существа способны воспринимать ощущения тепла и холода непосредственно, с помощью органов чувств. Однако точное определение температуры требует, чтобы температура измерялась объективно, с помощью приборов. Такие приборы называются термометрами и измеряют так называемую эмпирическую температуру. В эмпирической шкале температур устанавливаются две реперные точки и число делений между ними - так были введены используемые ныне шкалы Цельсия, Фаренгейта и другие. Измеряемая в кельвинах абсолютная температура вводится по одной реперной точке с учётом того, что в природе существует минимальное предельное значение температуры - абсолютный нуль. Верхнее значение температуры ограничено планковской температурой.

  Если система находится в тепловом равновесии, то температура всех её частей одинакова. В противном случае в системе происходит передача энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым, приводящая к выравниванию температур в системе, и говорят о распределении температуры в системе или скалярном поле температур. В термодинамике температура - это интенсивная термодинамическая величина.

  Наряду с термодинамическим, в других разделах физики могут вводиться и другие определения температуры. В молекулярно-кинетической теории показывается, что температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц системы. Температура определяет распределение частиц системы по уровням энергии (см. Статистика Максвелла - Больцмана), распределение частиц по скоростям (см. Распределение Максвелла), степень ионизации вещества (см. Уравнение Саха), спектральную плотность излучения (см. Формула Планка), полную объёмную плотность излучения (см. Закон Стефана - Больцмана) и т. д. Температуру, входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют температурой возбуждения, в распределение Максвелла - кинетической температурой, в формулу Саха - ионизационной температурой, в закон Стефана - Больцмана - радиационной температурой. Для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, и их называют просто температурой системы.

  В Международной системе величин (англ. International System of Quantities, ISQ) термодинамическая температура выбрана в качестве одной из семи основных физических величин системы. В Международной системе единиц (СИ), основанной на Международной системе величин, единица этой температуры - кельвин - является одной из семи основных единиц СИ. В системе СИ и на практике используется также температура Цельсия, её единицей является градус Цельсия (°С), по размеру равный кельвину. Это удобно, так как большинство климатических процессов на Земле и процессов в живой природе связаны с диапазоном от -50 до +50 °С.

История

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества - теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково - градусами.

Из того, что температура - это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах - градусах.

Шкала Кельвина

В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.

Шкала Цельсия

В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия - особая точка для метеорологии , поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.

Шкала Фаренгейта

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия - это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 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. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F - 32), то есть изменение температуры на 1 °F соответствует изменению на 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.

Шкала Реомюра

Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица - градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками - температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Сравнение температурных шкал

¹ Нормальная температура человеческого тела - 36.6 °C ±0.7 °C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F - это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 °C. Поскольку это значение не входит в диапазон нормальной температуры по современным представлениям, можно говорить, что оно содержит избыточную (неверную) точность. Некоторые значения в этой таблице были округлены.

Сопоставление шкал Фаренгейта и Цельсия

( o F - шкала Фаренгейта, o C - шкала Цельсия)

Для перевода градусов цельсия в кельвины необходимо пользоваться формулой T=t+T 0 где T- температура в кельвинах, t- температура в градусах цельсия, T 0 =273.15 кельвина. По размеру градус Цельсия равен Кельвину.

Из уравнения (2.4)

следует, что давление идеального газа пропорционально его плотности (плотность газа определяется числом молекул в единице объема) и средней кинетической энергии поступательного движения молекул. При неизменном а значит, при неизменном объеме V газа где число молекул в сосуде) давление газа зависит только от средней кинетической энергии молекул.

Между тем из опыта известно, что при постоянном объеме давление газа можно изменять только одним способом: его нагреванием или охлаждением; при нагревании газа его давление растет, при охлаждении уменьшается. Нагретый же и охлажденный газ, как и всякое тело, характеризуется своей температурой - особой величиной, которой издавна пользуются в науке, технике и в быту. Следовательно, между температурой и средней кинетической энергией молекул должна существовать связь.

Прежде чем мы выясним эту связь, посмотрим, что представляет собой температура как физическая величина.

В повседневной жизни температура для нас - величина, которая отличает «горячее» от «холодного». И первые представления о температуре возникли из ощущений тепла и холода. Мы можем использовать эти знакомые нам ощущения, чтобы выяснить главную особенность температуры как физической величины.

Возьмем три сосуда. В один из них нальем горячую воду, в другой - холодную, а в третий - смесь горячей и холодной воды. Опустим одну руку, например правую, в сосуд с горячей водой, а левую - в сосуд с холодной. Подержав руки некоторое время в этих сосудах, перенесем их в третий сосуд. Что скажут нам наши ощущения о воде в этом сосуде? Правой руке покажется, что вода

в нем холодная, а левой - что она теплая. Но это «разноречие» исчезнет, если подержать обе руки в третьем сосуде подольше. Через некоторое время обе руки станут испытывать совершенно одинаковые ощущения, соответствующие температуре воды в третьем сосуде.

Все дело в том, что руки, побывавшие сначала в сосудах с горячей и холодной водой, имели различные температуры, отличные и одна от другой, и от температуры в третьем сосуде. И требуется некоторое время, чтобы температура каждой из рук стала равной температуре воды, в которую они погружены. Тогда и температуры рук станут одинаковы. Одинаковы будут и ощущения. Необходимо, как говорят, чтобы в системе тел «правая рука - левая рука - вода» установилось тепловое равновесие.

Этот простой опыт показывает, что температура - это величина, характеризующая состояние теплового равновесия: у тел, находящихся в состоянии теплового равновесия, температуры одинаковы. И наоборот, тела с одинаковой температурой находятся в тепловом равновесии друг с другом. А если два тела находятся в тепловом равновесии с каким-нибудь третьим телом, то оба тела находятся в тепловом равновесии и между собой. Это важное утверждение является одним из основных законов природы. И на нем основана сама возможность измерения температуры. В описанном опыте, например, шла речь о тепловом равновесии обеих рук, после того как каждая из них оказалась в тепловом равновесии с водой.

Если тело или система тел не находится в состоянии теплового равновесия и если система изолирована (не взаимодействует с другими телами), то через некоторое время состояние теплового равновесия устанавливается само собой. Состояние теплового равновесия - это и есть состояние, в которое переходит любая изолированная система. После того как такое состояние достигнуто, оно уже больше не изменяется и никакие макроскопические изменения в системе не происходят. Одним из признаков состояния теплового равновесия и является равенство температур всех частей тела или всех тел системы. Известно, что в процессе установления теплового равновесия, т. е. при выравнивании температуры двух тел, происходит передача теплоты от одного тела другому. Следовательно, с экспериментальной точки зрения температура тела - это величина, которая определяет, будет ли оно другому телу с иной температурой передавать тёплоту или получать от него теплоту.

Температура занимает несколько особое место в ряду физических величин. Это и не удивительно, если учесть, что в ту эпоху, когда эта величина появилась в науке, не было известно, какие именно внутренние процессы в веществе вызывают ощущение тепла и холода.

Своеобразие температуры как физической величины состоит прежде всего в том, что она, в отличие от многих других величин,

не аддитивна. Это значит, что если мысленно разделить тело на части, то температура всего тела не равна сумме температур его частей. Этим температура отличается от таких, например, величин, как длина, объем, масса, значения которых для всего тела складываются из значений соответствующих величин для его частей.

Вследствие этого температуру тела нельзя измерять непосредственно, как измеряют длину или массу, т. е. методом сравнения с эталоном. Если об одном стержне можно сказать, что его длина во столько-то раз больше длины другого стержня, то вопрос о том, сколько раз одна температура содержится в другой, не имеет смысла.

Для измерения температуры издавна пользуются тем, что при изменении температуры тела изменяются и его свойства. Изменяются, следовательно, величины, характеризующие эти свойства. Поэтому для создания прибора, измеряющего температуру, т. е. термометра, выбирают какое-либо вещество (термометрическое вещество) и определенную величину, характеризующую свойство вещества (термометрическую величину). Выбор того и другого совершенно произволен. В бытовых термометрах, например, термометрическим веществом является ртуть, а термометрической величиной - длина ртутного столбика.

Для того чтобы величине температуры можно было сопоставить определенные числовые значения, нужно еще задаться той или иной зависимостью термометрической величины от температуры. Выбор этой зависимости тоже произволен: ведь пока нет термометра, нельзя опытным путем установить эту зависимость! В случае ртутного термометра, например, избирается линейная зависимость длины ртутного столбика (объема ртути) от температуры.

Остается еще установить единицу температуры - градус (хотя в принципе ее можно было бы выражать в тех же единицах, в которых измеряется термометрическая величина, например по ртутному термометру - в сантиметрах!). Величина градуса избирается тоже произвольно (как и термометрическое вещество, термометрическая величина и вид функции, связывающей термометрическую величину с температурой). Размер градуса устанавливается следующим образом. Выбирают, опять-таки произвольно, две температуры (их называют реперными точками) - обычно это температуры таяния льда и кипения воды при атмосферном давлении - и делят этот температурный интервал на некоторое (тоже произвольное) число равных частей - градусов, а одной из этих двух температур приписывают определенное числовое значение. Тем самым определяется значение второй температуры и любой промежуточной. Таким образом получают температурную шкалу. Понятно, что с помощью описанной процедуры можно получить бесчисленное множество различных термометров и температурных шкал,

Современная термометрия основана на шкале идеального газа, устанавливаемой с помощью газового термометра. В принципе газовый термометр - это закрытый сосуд, наполненный идеальным газом и снабженный манометром для измерения давления газа. Значит термометрическим веществом в таком термометре служит идеальный газ, а термометрической величиной - давление газа при постоянном объеме. Зависимость давления от температуры принимается (именно принимается!) линейной. Такое допущение приводит к тому, что отношение давлений при температурах кипения воды и таяния льда равно отношению самих этих температур:

Отношение легко определить из опыта. Многочисленные измерения показали, что

Таково, следовательно, и значение отношения температур:

Размер градуса выбирается делением разности на сто частей:

Из последних двух равенств следует, что температура таяния льда по выбранной нами шкале равна 273,15 градусов, а температура кипения воды Тк равна 373,15 градусов. Для того чтобы при помощи газового термометра измерить температуру какого-нибудь тела, надо привести тело в контакт с газовым термометром и, дождавшись равновесия, измерить давление газа в термометре. Тогда температура тела определяется по формуле

где давление газа в термометре, помещенном в тающий лед.

В практике газовым термометром пользуются крайне редко. На него возложена более ответственная роль - по нему градуируются все употребляемые термометры.

Температура, равная нулю в нашей шкале, - это, очевидно, температура, при которой давление идеального газа было бы равно нулю. (Это не значит, что идеальный газ в самом деле можно настолько охладить, что его давление станет равным нулю.) Если при нуле температурной шкалы термометрическая величина обращается в нуль, то такая шкала называется абсолютной шкалой, а температура, отсчитанная по такой шкале, называется абсолютной температурой. Описанная здесь шкала газового термометра является абсолютной. Ее часто называют также шкалой Кельвина,

а единицу температуры в этой шкале - градусом Кельвина или просто кельвином (обозначение: К).

В технике и быту часто используется температурная шкала, отличающаяся от описанной тем, что температуре таяния льда приписывается значение нуль (при том же размере градуса). Эта шкала называется шкалой Цельсия. Температура отсчитываемая по этой шкале, связана с абсолютной температурой очевидным соотношением:

Мы в дальнейшем будем пользоваться шкалой Кельвина.

Из того, что здесь было сказано, следует, что температура характеризует тепловое равновесие тел: при переходе к состоянию равновесия температуры тел выравниваются, а в состоянии равновесия температура всех частей тела или системы тел одна и та же, С этим связана сама процедура измерения температуры. Ведь для того, чтобы измерить значение термометрической величины при температурах таяния льда и кипения воды, термометр необходимо привести в состояние равновесия с тающим льдом и с кипящей водой, а чтобы измерить температуру какого-нибудь тела, необходимо обеспечить возможность установления теплового равновесия между термометром и телом. И только тогда, когда такое равновесие достигнуто, можно считать, что температура тела равна температуре, отсчитанной по термометру.

Итак, температура - это то, что выравнивается в процессе установления равновесия в системе. Но само понятие выравнивания означает, что от одной части системы что-то передается к другой. Полученное нами уравнение (2.4) для давления идеального газа позволит нам понять, что представляет собой это «что-то».

Представим себе изолированный цилиндр с идеальным газом, в котором уже установилось тепловое равновесие, так что температура во всех частях объема газа одинакова. Допустим, что, без нарушения равновесия, в цилиндр помещен подвижный поршень, разделяющий объем газа на две части (рис. 3, а). В условиях равновесия поршень будет находиться в покое. Это значит, что при равновесии не только температуры, но и давления по обе стороны поршня одинаковы. Согласно уравнению (2.4) одинаковы и величины

Нарушим теперь временно изоляцию нашего цилиндра с газом и нагреем одну из его частей, например ту, что по левую сторону от поршня, после чего снова восстановим изоляцию. Теперь газ в цилиндре не находится в равновесии - температура в левом отделении выше, чем в правом (рис. 3, б). Но газ изолирован, и сам собой начнется переход к состоянию равновесия. При этом мы увидим, что поршень начнет двигаться слева направо. А это значит, что совершается работа и, следовательно, от газа в левом отделении газу в правом через поршень передается энергия. Значит, то, что передается в процессе установления теплового равновесия, - это энергия. Через некоторое время движение поршня прекратится. Но остановится поршень после ряда колебаний. И остановится он в том же самом месте, где он находился до того, как левое отделение цилиндра подверглось нагреванию. В цилиндре с газом вновь установилось состояние равновесия. Но теперь температура газа и его давление, конечно, выше, чем до нагревания.

Так как поршень, остановился на прежнем месте, то концентрация молекул (т. е. число молекул в единице объема) осталась прежней. Это значит, что в результате нагревания газа изменилась только средняя кинетическая энергия его молекул. Выравнивание температуры, следовательно, означает выравнивание значений средней кинетической энергии молекул по обе стороны поршня. При переходе к равновесию от одной части газа к другой передается энергия, но выравнивается не энергия всего газа как целого, а средняя кинетическая энергия, отнесенная к одной молекуле. Именно средняя кинетическая энергия молекулы ведет себя как температура.

Эти две величины сходны еще и тем, что средняя кинетическая энергия, как и температура, - величина не аддитивная, она одинакова для всего газа и для любой его части (содержащей достаточно большое число молекул). Энергия же всего газа - величина, конечно, аддитивная, - она складывается из энергий его частей.

Не следует думать, что наши рассуждения относятся только к случаю, когда газ в цилиндре разделен на две части поршнем. И без поршня молекулы при столкновениях между собой обменивались бы энергией и она передавалась бы от более нагретой части к менее нагретой, в результате чего выравнялись бы средние кинетические энергии молекул. Поршень лишь делает передачу энергии как бы видимой, так как его движение связано с совершением работы.

Приведенные простые, хотя и не очень строгие рассуждения показывают, что величина, давно известная под названием температуры, в действительности представляет собой среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул. То, что мы получили этот результат для случая идеального газа, не меняет

В применении к идеальному газу удобнее считать, что температура равна двум третям средней кинетической энергии молекул, гак как это упростит вид формулы (2.4) для давления газа. Обозначив определенную таким образом температуру буквой мы можем написать:

Тогда уравнение (2.4) примет простой вид:

При таком определении температуры она, очевидно, должна измеряться в единицах энергии (в системе СИ - в джоулях, в системе единиц СГС - в эргах). Однако практически пользоваться такой единицей температуры неудобно. Даже такая малая единица энергии, как слишком велика, чтобы служить единицей измерения температуры. При пользовании ею обычно встречающиеся температуры выражались бы ничтожно малыми числами. Например, температура таяния льда равнялась бы . К тому же и измерение температуры, выражаемой в эргах, было бы очень затруднительно.

По этой причине, а также потому, что величиной температуры пользовались еще задолго до того, как были развиты молекулярно-кинетические представления, разъяснившие истинный смысл температуры, ее все-таки измеряют в старых единицах - градусах, несмотря на условность этой единицы.

Но если измерять температуру в градусах, то необходимо ввести соответствующий коэффициент, переводящий единицы энергии и градусы. Его принято обозначать буквой Тогда связь между температурой измеряемой в градусах, и средней кинетической энергией выражается равенством:

Напомним, что формула (3.1) относится к молекуле, которую мы условились считать подобной точке. Ее кинетическая энергия - это кинетическая энергия поступательного движения, скорость которого может быть разложена на три составляющие. Вследствие хаотичности молекулярныхдвижений можно принять, что энергия

молекулы равномерно распределяется по всем трем составляющим скорости, так что на каждую из них приходится энергия

Множитель выражающий соотношение между единицей энергии и единицей температуры - кельвином, называется постоянной Больцмана. Понятно, что его числовое значение должно быть установлено экспериментально. Ввиду особой важности этой постоянной она была определена многими методами. Приводим наиболее точное к настоящему времени значение этой постоянной. В системе единиц СИ

В системе единиц СГС

Из формулы (3.1) следует, что нулем температуры является температура, при которой средняя кинетическая энергия беспорядочных движений молекул равна нулю, т. е. температура, при которой хаотические движения молекул прекращаются. Это и есть тот абсолютный нуль, начало отсчета абсолютной температуры, о котором упоминалось выше.

Из формулы (3,1) вытекает также, что отрицательных температур быть не может, так как кинетическая энергия - существенно положительная величина. Впрочем, ниже, в гл. VI, будет показано, что для определенных систем можно формально ввести понятие об отрицательных температурах. О них, правда, нельзя будет сказать, что это температуры ниже абсолютного нуля и что они относятся к равновесному состоянию системы.

Так как температура определяется средней энергией движения молекул, то она, как и давление, является статистической величиной. Нельзя говорить о «температуре» одной или немногих молекул, о «горячих» или «холодных» молекулах. Не имеет смысла, например, говорить о температуре газа в космическом пространстве, где число молекул в единице объема настолько мало, что они не образуют газа в обычном смысле слова и нельзя говорить о средней энергии движения молекул.

Энергии, связанные с хаотическими движениями частиц газа, очень малы. Из формулы (3.1) и из приведенного значения постоянной Больцмана видно, что температуре в 1 К соответствует энергия, равная При наинизшей достигнутой к настоящему времени температуре (порядка 10 6 К) средняя энергия молекул равна приблизительно 109 джоуля. Даже наивысшей искусственно полученной температуре - около 100 миллионов градусов, развивающейся при взрыве ядерной бомбы, - соответствует ничтожная энергия частиц джоуля.

Ввиду того, что температура играет очень важную роль в физике и технике, она входит наряду с длиной, массой и временем в число основных величин системы единиц СИ, а единица температуры, кельвин, входит в число основных единиц этой системы (размерность температуры обозначается буквой в).

В СИ единица температуры (кельвин) устанавливается не на основе температурного интервала «температура тающего льда - температура кипящей воды», а на основе интервала «абсолютный нуль - температура тройной точки воды». Тройная точка воды - это температура, при которой вода, водяной пар и лед находятся в равновесии (см. § 130). Температуре тройной точки воды приписывается значение 273,16 К (точно).

Таким образом, 1 кельвин равен части температурного интервала от абсолютного нуля температуры до температуры тройной точки воды.

Так как температура тройной точки воды равна 0,01 °С, то размерыградуса в шкалах Цельсия и Кельвина одинаковы и любая температура может выражаться либо в градусах Цельсия либо в кельвинах

Характеризующая тепловое состояние тел.

В окружающем нас мире происходят различные явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел. Их называют тепловыми явлениями . Так, при нагревании холодная вода сначала стано-вится теплой, а затем горячей; вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждает-ся и т. д. Степень нагретости тела, или его тепловое состояние, мы обозначаем словами «теплый», «холодный», «горячий», Для количественной оценки этого состояния и служит температура .

Температура — один из макроскопических параметров системы. В физике, тела, состоящие из очень большого числа атомов или молекул , называют макроскопическими . Размеры макроскопических тел во много раз превышают размеры атомов. Все окружающие тела — от стола или газа в воздушном шарике до песчинки — макроскопические тела.

Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами . К ним относятся объем , давление , темпе-ратура , концентрация частиц, масса , плотность , намагниченность и т. д. Температура — один из важнейших макроскопических параметров системы (газа, в частности).

Температура — характеристика теплового равновесия системы.

Известно, что для определения температуры среды следует поместить в эту среду термометр и подождать до тех нор, пока температура термометра не перестанет изменяться, приняв значе-ние, равное температуре окружающей среды. Другими словами, необходимо некоторое время для установления между средой и термометром теплового равновесия.

Тепловым , или термодинамическим , равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что не меняются объем и давление в системе, не происходят фазовые превращения, не меняется температура.

Однако микроскопические процессы при тепловом равновесии не прекращаются: скорости молекул меняются, они перемещаются, сталкиваются.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел — термодинамическая система — может находиться в различных состояниях теплового равновесия. В каждом из этих состояний температура имеет свое вполне определенное значение. Другие величины могут иметь разные (но постоянные) значения. Например, давление сжатого газа в баллоне будет отличаться от давления в помещении и при температурном равновесии всей системы тел в этом помещении.

Температура характеризует состояние теплового равновесия макроскопической системы: во всех частях системы, находящихся в состоянии теплового равновесия, температура имеет одно и то же значение (это единственный макроскопический параметр, обладающий таким свойством).

Если два тела имеют одинаковую температуру, между ними не происходит теплообмен, если разную — теплообмен происходит, причем тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до полного выравнивания температур.

Измерение температуры основано на зависимости какой-либо физической величины (напри-мер, объема) от температуры. Эта зависимость и используется в температурной шкале термомет-ра — прибора, служащего для измерения температуры.

Действие термометра основано на тепловом расширении вещества. При нагревании столбик используемого в термометре вещества (например, ртути или спирта) увеличивается, при охлаждении — уменьшается. Использующиеся в быту термометры позволяют выразить температуру вещества в градусах Цельсия (°С) .

А. Цельсий (1701-1744) — шведский ученый, предложивший использовать стоградусную шкалу температур. В температурной шкале Цельсия за нуль (с середины XVIII в.) принимается температура тающего льда, а за 100 градусом — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

Поскольку различные жидкости расширяются с повышением температуры по-разному, то температурные шкалы в термометрах с разными жидкостями различны.

Поэтому в физике используют идеальную газовую шкалу температур , основанную на зависимости объема (при постоянном давлении) или давления (при постоянном объеме) газа от тем-пературы.

Школьных и вузовских учебниках можно встретить множество самых различных объяснений температуры. Температура определяется как величина, отличающая горячее от холодного, как степень нагретости тела, как характеристика состояния теплового равновесия, как величина, пропорциональная энергии, приходящейся на степень свободы частицы, и т.д. и т.п. Чаще всего температуру вещества определяют как меру средней энергии теплового движения частиц вещества, или как меру интенсивности теплового движения частиц. Небожитель физики – теоретик удивится: «А чего тут непонятного? Температура – это dQ / dS , где Q – теплота, а S – энтропия!» Такое изобилие определений у любого критически мыслящего человека вызывает подозрение, что общепринятого научного определения температуры в настоящее время в физике не существует.

Попытаемся найти простое и конкретное толкование этого понятия на уровне, доступном для выпускника средней школы. Представим себе такую картину. Выпал первый снег, и два брата на перемене в школе затеяли забаву , известную под названием «снежки». Посмотрим, какая энергия передается игрокам в ходе этого состязания. Для простоты полагаем, что все снаряды попадают в цель. Игра протекает с явным перевесом для старшего брата. У него и снежные шарики покрупнее, да и бросает он их с большей скоростью . Энергия всех брошенных им снежков , где N с – количество бросков, а - средняя кинетическая энергия одного шарика. Средняя энергия находится по обычной формуле:

здесь m - масса снежков, а v - их скорость.

Однако не вся затраченная старшим братом энергия будет передана его младшему партнеру. В самом деле, снежки попадают в цель под разными углами, поэтому некоторые из них, отразившись от человека, уносят часть первоначальной энергии. Правда, бывают и «удачно» брошенные шарики, результатом которых может быть синяк под глазом. В последнем случае вся кинетическая энергия снаряда передается обстреливаемому субъекту. Таким образом, мы приходим к выводу, что энергия снежков, переданная младшему брату, будет равна не E с , а
, где Θ с – усреднённое значение кинетической энергии, которое передается младшему партнеру при попадании в него одного снежного шарика . Понятно, что чем больше энергия, приходящаяся в среднем на один брошенный шарик, тем больше будет и средняя энергия Θ с , передаваемая мишени одним снарядом. В простейшем случае зависимость между ними может быть прямо пропорциональной: Θ с =a . Соответственно младший школьник затратил за всё состязание энергию
, но энергия, переданная старшему брату, будет меньше: она равна
, где N м – число бросков, а Θ м – усреднённая энергия одного снежка, поглощенная старшим братом.

Нечто подобное происходит при тепловом взаимодействии тел. Если привести в контакт два тела, то молекулы первого тела за небольшой промежуток времени передадут второму телу энергию в виде теплоты
, где Δ S 1 – количество соударений молекул первого тела со вторым телом, а Θ 1 – это средняя энергия, которую молекула первого тела передаёт за одно столкновение второму телу. За это же время молекулы второго тела потеряют энергию
. Здесь Δ S 2 – число элементарных актов взаимодействия (число ударов) молекул второго тела с первым телом, а Θ 2 - средняя энергия, которую молекула второго тела передаёт за один удар первому телу. Величина Θ в физике получила название температуры . Как показывает опыт, она связана со средней кинетической энергией молекул тел соотношением:

(2)

А теперь можно подвести итоги всех приведенных выше рассуждений. Какой же вывод мы должны сделать относительно физического содержания величины Θ ? Он, на наш взгляд, совершенно очевиден.

тела передаёт другому макроскопическому объекту за одно

соударение с этим объектом.

Как следует из формулы (2) температура – это энергетический параметр, значит, единицей измерения температуры в системе СИ является джоуль. Так, что строго говоря, Вы должны жаловаться примерно так: «Похоже, вчера я простудился, голова болит, и температура – аж 4,294·10 -21 Дж!» Не правда ли, непривычная единица измерения температуры, да и величина какая-то уж слишком малая? Но не забывайте, что речь идет об энергии, которая составляет часть от средней кинетической энергией всего-то одной молекулы!

На практике температуру измеряют в произвольно выбранных единицах : флорентах, кельвинах, градусах Цельсия, градусах Ранкина, градусах Фаренгейта и т.д. (Могу же я определить длину не в метрах, а в кабельтовых, саженях, шагах, вершках, футах и т.п. Помнится, в одном из мультфильмов длину удава считали даже в попугаях!)

Для измерения температуры необходимо использовать некоторый датчик, который следует привести в контакт с исследуемым предметом , Этот датчик мы будем называть термометрическим телом . Термометрическое тело должно обладать двумя свойствами. Во-первых, это оно должно быть значительно меньше исследуемого объекта (правильней сказать, теплоемкость термометрического тела должна быть много меньше теплоемкости исследуемого предмета). Вы никогда не пробовали измерить температуру, скажем, комара с помощью обычного медицинского градусника? А Вы попробуйте! Что, ничего не получается? Все дело в том, что в процессе теплообмена насекомое не сможет изменить энергетическое состояние градусника, так как суммарная энергия молекул комара ничтожно мала по сравнению с энергией молекул градусника .

Ну, ладно, возьму маленький предмет, к примеру, карандаш, и с его помощью попробую измерить свою температуру. Опять что-то не ладится... А причина неудачи заключается в том, что термометрическое тело должно обладать ещё одним обязательным свойством: при контакте с исследуемым объектом в термометрическом теле должны происходить изменения, которые можно зарегистрировать визуально, либо с помощью приборов.

Присмотритесь, как устроен обычный бытовой термометр. Его термометрическое тело - маленький сферический сосуд, соединенный с тонкой трубкой (капилляром). Сосуд заполняется жидкостью (чаще всего ртутью или подкрашенным спиртом). При контакте с горячим или холодным предметом жидкость изменяет свой объём, и соответственно изменяется высота столбика в капилляре. Но для того, чтобы зарегистрировать изменения высоты столбика жидкости необходимо к термометрическому телу приладить ещё и шкалу. Прибор, содержащий термометрическое тело и выбранную определенным образом шкалу, называется термометром . Наибольшее распространение в настоящее время получили термометры со шкалой Цельсия и шалой Кельвина.

Шкала Цельсия устанавливается по двум репéрным (опорным) точкам. Первым репером является тройная точка воды – такие физические условия, при которых три фазы воды (жидкость, газ, твердое тело) находятся в равновесии . Это значит, что масса жидкости, масса кристаллов воды и масса водяных паров остаются при этих условиях неизменными. В такой системе, конечно же, идут процессы испарения и конденсации, кристаллизации и плавления, но они уравновешивают друг друга. Если не нужна очень высокая точность измерения температуры (например, при изготовлении бытовых термометров), первую реперную точку получают, помещая термометрическое тело в тающий при атмосферном давлении снег или лёд. Второй реперной точкой является условия, при которых жидкая вода находится в равновесии со своим паром (проще сказать, точка кипения воды) при нормальном атмосферном давлении. На шкале термометра делаются отметки, соответствующие реперным точкам; интервал между ними делится на сто частей. Одно деление выбранной таким образом шкалы называется градусом Цельсия (˚C). Тройная точка воды принимается за 0 градусов шкалы Цельсия.

Шкала Цельсия получила наибольшее практическое применение в мире; к сожалению, она имеет ряд существенных недостатков. Температура по этой шкале может принимать отрицательные значения, между тем кинетическая энергия и соответственно температура могут быть только положительными. Кроме того, показания термометров со шкалой Цельсия (за исключением реперных точек) зависят от выбора термометрического тела.

Шкала Кельвина лишена недостатков шкалы Цельсия. В качестве рабочего вещества в термометрах со шкалой Кельвина должен использоваться идеальный газ. Шкала Кельвина также устанавливается по двум реперным точкам. Первой реперной точкой являются такие физические условия, при которых прекращается тепловое движение молекул идеального газа. Эта точка принимается в шкале Кельвина за 0. Второй реперной точкой является тройная точка воды. Интервал между реперными точками разделен на 273,15 части. Одно деление выбранной таким образом шкалы называют кельвином (К). Число делений 273,15 выбрано по тем соображениям, чтобы цена деления шкалы Кельвина совпадала с ценой деления шкалы Цельсия, тогда изменение температуры по шкале Кельвина совпадает с изменением температуры по шкале Цельсия; тем самым облегчается переход от показаний одной шкалы к другой. Температура по шкале Кельвина обозначается обычно буквой Т . Связь между температурами t в шкале Цельсия и температурой Т , измеренной в кельвинах, устанавливается соотношениями

и
.

Для перехода от температуры Т , измеренной в К, к температуре Θ в джоулях служит постоянная Больцмана k =1.38·10 -23 Дж/К, она показывает, сколько джоулей приходится на 1 К:

Θ = kT .

Некоторые умники пытаются найти какой-то тайный смысл в постоянной Больцмана; между тем k – самый заурядный коэффициент для пересчёта температуры из кельвинов в джоули.

Обратим внимание читателя на три специфические особенности температуры. Во-первых, она является усреднённым (статистическим) параметром ансамбля частиц. Представьте себе, что вы решили найти средний возраст людей на Земле. Для этого заходим в детский садик , суммируем возраст всех ребятишек и делим эту сумму на число детей. Оказывается, что средний возраст людей на Земле – 3.5 года! Вроде считали-то правильно, а результат получили нелепый. А всё дело в том, что в статистике надо оперировать громадным количеством объектов или событий. Чем выше их количество (в идеале оно должно быть бесконечно большим), тем точней будет значение среднестатистического параметра. Потому понятие температуры применимо только к телам, содержащим громадное количество частиц. Когда журналист в погоне за сенсацией сообщает, что температура частиц, падающих на космический корабль, равна нескольким миллионам градусов, родственникам космонавтов не надо падать в обморок: с кораблем ничего страшного не происходит: просто малограмотный работник пера выдает энергию небольшого количества космических частиц за температуру. А вот если корабль, направляясь на Марс, сбился бы с курса и приблизился бы к Солнцу, тогда – беда: число частиц, бомбардирующий корабль громадное, а температура солнечной короны – 1,5 миллиона градусов.

Во-вторых, температура характеризует тепловое, т.е. неупорядочное движение частиц. В электронном осциллографе картинка на экране рисуется узким, сфокусированным в точку, потоком электронов. Эти электроны проходят некоторую одинаковую разность потенциалов и приобретают примерно одинаковую скорость. Для такого ансамбля частиц грамотный специалист указывают их кинетическую энергию (к примеру, 1500 электрон-вольт), которая, конечно же, не является температурой этих частиц.

Наконец, в-третьих, заметим, что передача теплоты от одного тела к другому может осуществляться не только за счет непосредственного столкновения частиц этих тел, но и за счет поглощения энергии в виде квантов электромагнитного излучения (этот процесс происходит, когда Вы загораете на пляже). Поэтому более общее и точное определение температуры следует сформулировать так:

Температура тела (вещества, системы) – физическая величина, численно равная усреднённой энергии, которую молекула этого

тела передаёт другому макроскопическому объекту за один

элементарный акт взаимодействия с этим объектом .

В заключение, вернёмся к определениям, о которых шла речь в начале этой статьи. Из формулы (2) следует, что если известна температура вещества, то можно однозначно определить среднюю энергию частиц вещества. Таким образом, температура действительно является мерой средней энергии теплового движения молекул или атомов (заметим, кстати, что среднюю энергию частиц определить непосредственно в эксперименте невозможно). С другой стороны кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости; значит, чем больше температура, тем выше скорости молекул, тем интенсивнее их движение. Следовательно, температура является мерилом интенсивности теплового движения частиц. Определения эти, безусловно, приемлемые, но носят они уж слишком общий, чисто качественный характер.