Известно, что в мире активно используются, как минимум, три температурные шкалы: шкала Цельсия, шкала Фаренгейта и шкала Кельвина. Но только третья из них, так называемая абсолютная (термодинамическая) шкала температур, применяется, главным образом, для научных целей. Познакомимся с этой шкалой.

Вы уже знаете, что тела, находящиеся в контакте друг с другом, могут обмениваться энергией, в результате чего наблюдаются переходы некоторого количества теплоты от одного тела к другому или другим телам. Запомним: тепловое (термодинамическое) равновесие – это такое состояние тел, находящихся в контакте, при котором не происходит теплопередачи от одного тела к другому, и все макроскопические параметры тел остаются неизменными, например, давление, внутренняя энергия, массы и объёмы частей тел и др. В состоянии теплового равновесия температура всех тел и их частей одинакова.

Для измерения температуры используются термометры, которых позволяют судить о величине температуры по изменению какого-либо физического параметра термометра, например, объёма жидкости. Однако различные жидкости расширяются по-разному, что ограничивает области применения термометров, заполненных конкретными жидкостями. Особое место в физике занимают газовые термометры, в которых вместо жидкости используется разреженный газ, например, гелий или даже воздух (см. рисунок).

Опыты показывают, что давление газа при постоянном объёме и концентрации молекул (n) увеличивается с ростом температуры (см. непрерывную линию графика). Продолжая экспериментально полученную линию графика в область всё более низких давлений, можно определить некоторую «гипотетическую» температуру, при которой давление порции газа стало бы равным нулю: эта температура равна –273°С и не зависит от вида газа, использованного для построения непрерывной линии графика. Мы назвали температуру «гипотетической», так как она оказывается недостижима на практике.

Английский физик У. Кельвин (Томсон) в 1848 г. предложил использовать точку нулевого давления газа для построения новой температурной шкалы (шкала Кельвина). В этой шкале единица измерения температуры (градус) такая же, как и в шкале Цельсия, но нулевая точка сдвинута: T = t° + 273. Единица температуры по шкале Кельвина – кельвин (обозначение: К). Например, комнатная температура t° = 20°С по шкале Кельвина будет равна: T = 20 + 273 = 293 К. Температурная шкала Кельвина называется абсолютной (термодинамической) шкалой температур.

Газовые термометры громоздки и неудобны для практического применения, поэтому они используются только в качестве стандарта (эталона) для калибровки и поверки других термометров. Они могут быть любыми: жидконаполненными, твердотельными или даже электрическими.

Вы знаете, что давление газа является результатом многочисленных ударов молекул газа о дно и стенки сосуда. Каждый из ударов тем сильнее, чем больше энергия молекулы. Наряду с этим, общее число ударов зависит от концентрации молекул газа (n). Таким образом, вполне естественно, что давление газа связано с концентрацией молекул и с энергией их движения, которая зависит от температуры газа.

Считается, что абсолютный ноль на практике недостижим, поскольку в таком случае энергия движения молекул должна стать равной нулю. В настоящее время в физических лабораториях удалось получить температуру, превышающую абсолютный ноль всего на несколько миллионных долей градуса; достичь же его самого, согласно законам термодинамики, невозможно.

(C) 2013. Нутерман Борис Михайлович (г. Томск)