§ 8. Понятие о температуре

Если два тела, имеющие различные температуры, находятся в тепловом контакте, то между ними происходит теплообмен, т. е. обмен внутренними энергиями без совершения работы. Теплообмен протекает до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие, т. е. состояние системы, в которой при постоянных внешних условиях все параметры (t°, p, V, m) остаются неизменными сколь угодно долго.

Выясним с точки зрения молекулярной кинетической теории сущность теплового равновесия, а также смысл понятия температуры. Молекулы в теле движутся с различными скоростями, поэтому не исключена возможность, что ряд молекул тела с меньшей температурой имеет большую скорость, а следовательно, и кинетическую энергию, чем ряд молекул тела с большей температурой. При соударении молекулы более холодного тела отдают часть своей энергии молекулам более горячего тела. И из этого еще нельзя сделать заключение, в каком направлении будет идти теплообмен. Требуется статистический подход, к решению вопроса, а именно надо знать, в каком из тел средняя кинетическая энергия молекулы больше, а в каком - меньше. В более нагретом теле молекулы движутся быстрее, а следовательно, их средняя кинетическая энергия больше. Поэтому и теплообмен идет от более нагретого тела к менее нагретому до наступления теплового равновесия (рис. 9).

Рис. 9. Схема передачи энергии молекул горячих газов молекулам металла кастрюли, а последними - молекулам воды

Таким образом, процесс теплового равновесия сводится к уравниванию средних кинетических энергий поступательного движения молекул тел, участвующих в теплообмене. Наступление этого процесса сводится к уравниванию температур тел, что означает выравнивание средних кинетических энергий поступательного движения молекул тел. Следовательно, температура является мерой средней кинетической энергии хаотического движения молекул. Поэтому по температуре тела и судят об этой энергии молекул тела. Внешне изменение ее проявляется в изменении температуры тела.

Температура - понятие статистическое, т. е. средняя кинетическая энергия 100 или 1000 молекул не дает представления о температуре тела. Надо брать среднюю кинетическую энергию многих миллиардов молекул, а такой подсчет можно сделать только статистическим методом.

Температура измеряется термометрами, действие которых ? основано на изменении таких величин, как объем, давление, сопротивление току и т. д. Чаще в термометрах используется изменение объема ртути или спирта при их тепловом контакте с телами.

Шведский ученый Цельсий предложил тепловое состояние тел сравнивать с тепловым состоянием тающего льда при нормальном давлении. Если при тепловом контакте резервуара термометра с таким льдом теплообмен между ними не происходит, о чем свидетельствует постоянство объема ртути в термометре, то они находятся в тепловом равновесии. В этом случае положение ртути в трубке отмечается нулем и считается гем тепловым состоянием, с которым сравнивается тепловое состояние других тел. Если при контакте термометра с телом объем ртути изменяется, то это указывает на то, что тепловое состояние данного тела отличается от теплового состояния льда.

Для того чтобы оценить степень отклонения тел от теплового равновесия, введена температура. Поместив термометр в пары кипящей воды при нормальном давлении, Цельсий отметил положение ртути в трубке термометра числом 100. Разделив длину трубки между отметками 0 и 100 на сто частей, он получил термометрическую шкалу, в которой цена одного деления принята за 1°С. При таком условии температура таяния льда 0°С, а кипения воды 100° С.

Чем выше температура, тем больше скорость поступательного движения молекул. А если это так, то можно подумать, что при 0°С поступательное движение молекул прекращается, так как их скорость становится равной нулю. Теоретически было доказано, что поступательное движение молекул прекращается не при 0°С, а при -273,15° С. Эта температура называется абсолютным нулем.

Рис. 10. К понятию абсолютного нуля

Температурная шкала, в которой за начало отсчета температуры принят абсолютный нуль, называется абсолютной шкалой, или шкалой Кельвина. По шкале Кельвина (рис. 10) (округленно) температура таяния льда 273° К, кипения воды - 373° К.

Как видно из рисунка, между температурой по шкале Цельсия и по шкале Кельвина имеется такая зависимость:

Если тела А и В имеют одинаковую температуру,. например 40° С, то каждое из них будет находиться в тепловом равновесии с термометром, когда он будет показывать 40° С.