§ 23.  ТЕМПЕРАТУРА, ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ, АБСОЛЮТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА.

Прикоснувшись рукой к любому предмету, мы легко можем определить, тёплый он или холодный. Если температура предмета ниже температуры руки, предмет кажется холодным, а если наоборот, то - тёплым. Если зажать в кулаке холодную монету, то теплота руки начнёт нагревать монету, и через некоторое время её температура станет равной температуре руки, или, как говорят, наступит тепловое равновесие. Поэтому температура характеризует состояние теплового равновесия системы из двух или нескольких тел, имеющих одну и ту же температуру. Так, говоря, что температура нашего тела равна 36 ^оС, мы подразумеваем, что градусник подмышкой находится в тепловом равновесии с окружающими тканями, когда он показывает 36 ^оС.

Температура наряду с объёмом и давлением газа являются макроскопическими параметрами. Для измерения температуры используют термометры. В некоторых из них регистрируют изменение объёма жидкости при нагревании, в других – изменение электрического сопротивления и т.п. Самой распространённой является температурная шкала Цельсия, названная так в честь шведского физика А. Цельсия. Чтобы получить температурную шкалу Цельсия для жидкостного термометра, его сначала погружают в тающий лёд и отмечают положение конца столбика, а потом - в кипящую воду. Отрезок между этими двумя положениями столбика делят на 100 равных частей, считая, что температура таяния льда соответствует нулю градусов шкалы Цельсия (^оС), а температура кипящей воды – 100 ^оС (см. рис. 23а). 

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (22.4) связывает между собой давление газа, концентрацию молекул и их среднюю кинетическую энергию. Однако средняя кинетическая энергия молекул, как правило, неизвестна, хотя результаты многих опытов говорят о том, что скорость молекул увеличивается с ростом температуры (см., например, броуновское движение в §20). Зависимость средней кинетической энергии молекул газа от его температуры можно получить из закона открытого французским физиком Ж. Шарлем в 1787 году.

Согласно закону Шарля, если объём данной массы газа не меняется, его давление p_t линейно зависит от температуры t:

где t – температура газа, измеренная в ^оС, а p₀ – давление газа при температуре 0 ^оС (см. рис. 23б). Таким образом, из закона Шарля следует, что давление газа, занимающего неизменный объём, пропорционально сумме (t+273 ^оС). С другой стороны, из (22.4) вытекает, что, если концентрация молекул постоянна, т.е. объём, занимаемый газом, не изменяется, то давление газа должно быть пропорционально средней кинетической энергии молекул. Значит, средняя кинетическая энергия,  Е_СР молекул газа, просто, пропорциональна величине (t+273 ^оС):

 

где b – постоянный коэффициент, значение которого мы позже определим. Из (23.2) следует, что средняя кинетическая энергия молекул станет равной нулю при -273 ^оС. Исходя из этого, английский учёный У. Кельвин в 1848 г. предложил использовать абсолютную температурную шкалу, нулевая температура в которой соответствовала бы -273 ^оС, а каждый градус температуры был бы равен градусу шкалы Цельсия. Таким образом, абсолютная температура, T связана с температурой t, измеренной по шкале Цельсия, следующим образом:

За единицу абсолютной температуры в СИ принят Кельвин (К).

Учитывая (23.3), уравнение (23.2) преобразуется в:

подставляя которое в (22.4), получаем следующее:

Чтобы избавиться от дроби в (23.5), заменим 2b/3 на k, и получим вместо (23.4) и (23.5) два очень важных уравнения:

где k – постоянная Больцмана, названная в честь Л. Больцмана. Эксперименты показали, что k=1,38.10^-23 Дж/К. Таким образом, давление газа и средняя кинетическая энергия его молекул пропорциональны его абсолютной температуре.

Вопросы для повторения:

·        Как связана температура с тепловым равновесием?

·        Сформулируйте закон Шарля.

·        При какой температуре прекращается тепловое движение?

Рис. 23. (а) – градуировка термометра по шкале Цельсия; (б) – графическое представление закона Шарля.