Температура

Тепло и холод мы воспринимаем через наши органы осязания. Подобные ощущения довольно примитивны и субъективны, однако даже таким путем многие из нас смогут более или менее правильно оценить нагрев тел и, если потребуется, расположить их по степени нагрева. В таких экспериментах мы определяем относительный нагрев тел, Но, по-видимому, нужна и некоторая абсолютная оценка. Для этого мы должны сопоставить нагрев тела с какой-то хотя бы грубой шкалой нагрева; следовательно, необходим некоторый стандарт, сравнение с которым позволит нам судить о нагреве тела. Так возникли шкала температур и понятие температуры, которое стали использовать для абсолютного цифрового выражения степени нагрева тела. Мы еще вернемся к вопросу об установлении шкалы температуры, а пока будем применять слово температура для качественной оценки степени нагрева, полагая, что более горячее тело имеет более высокую температуру. Итак, с повышением температуры перемещения, вращения и колебания атомов и молекул становятся более интенсивными. Мы не можем видеть непосредственно все эти изменения, но мы предполагаем их, наблюдая различные явления, которые служат логическим следствием подобных изменений.

Если сложить вместе два твердых тела с различной температурой, то атомы и молекулы контактирующих поверхностей будут взаимодействовать друг с другом. В результате колебания атомов и молекул более холодного тела усилятся и, наоборот, в более горячем теле они ослабнут. В этом случае работа совершается за счет межмолекулярного взаимодействия, благодаря которому и осуществляется передача энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Если процесс передачи энергии обусловлен разностью температур, то мы можем отождествлять энергию с теплотой и называть этот процесс передачей теплоты.

В зависимости от физического состояния тел передача теплоты сказывается на них по-разному. В газах дополнительное поступление теплоты приводит к повышению средней кинетической энергии молекул. Молекулы начинают интенсивнее ударяться о стенки сосуда, в таком случае мы говорим об увеличении давления газа. В твердых телах возрастает амплитуда колебаний атомов, что приводит к смещению их средних положений. При огромном количестве атомов твердого тела мы можем наблюдать эти смещения по изменению размеров тела, и тогда мы говорим о расширении тела. Подобным же образом мы можем объяснить и такие более сложные явления, как плавление и парообразование. Необходимо отметить, что изменение температуры различных тел не находится в Строгом соответствии с количеством сообщаемой им энергии. Изменение температуры зависит от числа частиц, участвующих в процессе, их массы, способов передачи энергии и т. д.

Если соприкасаются два тела с различной температурой, то передача теплоты происходит до тех пор, пока в системе не установится равновесие. В состоянии равновесия взаимодействие атомов уже не вызывает каких-либо изменений в наблюдаемых свойствах тел. Внутренняя энергия каждого из тел в таком состоянии также не изменяется. Из общих соображений мы можем предполагать и равенство их температур. Как показывают наблюдения, любое третье - тело, приведенное в состояние равновесия с одним из двух исходных тел, стремится к равновесию и с другим, если с ним также устанавливается контакт. Это так называемый нулевой закон термодинамики, который носит универсальный характер. Его необычное название связано с тем, что этот закон не признавался до тех пор, пока не были установлены первое и второе начала термодинамики (которые мы рассмотрим позже), хотя логически он должен был им предшествовать^*.

^* (Большинство современных руководств и учебников по термодинамике не выделяют "нулевой закон" в качестве основного положения, а рассматривают его как одно из следствий второго начала термодинамики.- Прим. ред.)

Что же общего между различными телами, отличающимися формой, размером и составом, если все они находятся в тепловом равновесии? Одно из этих тел можно использовать для отсчета температуры. Очевидно, что в условиях равновесия температура всех этих контактирующих тел будет одинаковой. Такой логический вывод из нулевого закона термодинамики впервые сделал Джеймс Клерк Максвелл в 1868 г.