Температура и тепловое равновесие

Как мы с вами знаем, атомы и молекулы, взаимодействуя друг с другом, образуют разнообразные вещества. И если число частиц в веществе невелико (до нескольких десятков или сотен), то говорят о микросистеме. Если же тела состоят из огромного числа частиц, то их называют макроскопическими телами или просто макротелами.

Состояние макротел, в частности газов, и процессы изменения их состояний характеризуются микроскопическими и макроскопическими параметрами. К первым относятся характеристики самих молекул (это скорость, масса, энергия и так далее). Причём средние численные значения этих характеристик можно определить только расчётным путём.

Макроскопическими параметрами газа являются его давление, температура и объём, значения которых определяются совместным действием огромного числа молекул и могут быть измерены с помощью приборов или вычислены. Важно помнить, что макропараметры — это параметры, характеризующие состояние газа в целом и не имеющие смысла в применении к отдельным частицам системы.

Вы уже знаете, что под объёмом газа понимают объём сосуда, в котором он находится. А давление газа определяется средней силой ударов его молекул о стенки сосуда, отнесённой к единице площади.

А что же такое температура? Вот есть кубик льда, он какой? Правильно, холодный. А что можно сказать вот об этой чашке чая? Ну, судя по струйке пара, она горячая. А что с этой планетой? Правильно, она раскалённая почти до предела.

Заметьте, что у нас не вызвало никаких затруднений определить холодное это тело или горячее, так как мы хорошо знаем различия между ними. При этом мы говорим о том, что одно тело имеет более высокую (или низкую) температуру, чем другое. Таким образом, можно утверждать, что температура характеризует степень нагретости тел.

Всем вам известно, что измерить температуру вещества можно при помощи термометра. Устройство большинства термометров основано на способности веществ изменять свои физические параметры (объём, сопротивление и так далее) при изменении температуры тела.

Интересно, что первыми, кому понадобилась сравнительная шкала «теплоты тела», были врачи. Они давно заметили, что здоровье человека связано с «теплотой» его тела. Лекарства, которые давались больному, способны были изменить это «качество, привнося с собой тепло или холод». Степень же воздействия лекарства на человека определялась градусами, что в переводе с латинского означает «шаг», «ступень». А для получения различных градусов лекарства смешивались между собой, образуя температуру (с латинского «температура» переводится как «смесь»). Позже термины «температура» и «градус» были распространены на все тепловые явления.

Изобретение прибора для измерения температуры (собственно термометра) относят к 1592 — 1600 годам и приписывают знаменитому итальянцу Галилео Галилею. Его термометр состоял из стеклянного шара с трубкой, наполненного воздухом, который запирался столбиком воды. Высота столбика зависела от атмосферного давления, которое, в свою очередь, зависело от температуры воздуха и других параметров. При повышении температуры в сосуде уровень жидкости в нём опускался, а при охлаждении — поднимался.

Со временем термометры усовершенствовались и к ним добавили температурные шкалы. В 1701 году Исааком Ньютоном была описана 12 градусная шкала. Нулю в ней соответствовала температура замерзания воды. А 12^о отвечали за температуру тела здорового человека.

Первая же современная шкала была описана в 1724 году Габриелем Фаренгейтом. За самую низкую температуру, то есть 0 ^oF, он принял чрезвычайно низкую температуру зимы 1709 года в Данциге (её он получал путём смешивания льда, поваренной соли и нашатыря). Второй отправной точкой служила температура таяния льда, равная 32 ^oF. А третья точка соответствовала температуре тела здорового человека — 98 ^oF. Интересно, но эта шкала температур до сих пор используется в некоторых странах мира, среди которых и США.

В настоящее время в метрической системе для практического употребления принята всем известная шкала Цельсия. Предложена она была в 1742 году шведским учёным Андерсом Цельсием. За 0 ^оС в ней была принята (не удивляйтесь!) температура кипения воды при нормальных условиях. А вторая точка, равная 100 ^оС, соответствовала температуре плавления льда. Лишь в 1745 году, после смерти учёного, соотечественник Цельсия — ботаник Карл Линней — для удобства «перевернул» эту шкалу. В таком виде она и используется по сей день.

Конечно же, любой термометр не покажет вам температуру тела сразу же после контакта с ним. Необходимо некоторое время для того, чтобы температура исследуемого тела и температура термометра стали равными и между телами установилось тепловое равновесие.

У тел, входящих в физическую систему, находящуюся в состоянии теплового равновесия, могут быть различные значения плотности, концентрации, давления и объёма. Однако температура всех тел, входящих в такие системы, всегда одинакова.

Тепловое равновесие с течением времени устанавливается между любыми телами системы, имеющими различную температуру. Вот простой пример. Возьмём банку с водой и кубиком льда внутри неё. Закроем банку крышкой, в которую встроены два термометра, так, чтобы один из них измерял температуру воздуха, а второй — воды. Понаблюдаем за показаниями обоих термометров в течение некоторого времени.

Как видим, с течением времени температура воды и воздуха в сосуде выровнялась. Отсюда можно сделать простой, но важный вывод: любое макроскопическое тело (или группа тел) при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия. При этом все тела, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру. Следовательно, температура является характеристикой состояния теплового равновесия.

Очевидно, что если привести в соприкосновение два тела, имеющие одинаковую температуру, то между ними теплообмен происходить не будет. Но если температуры тел будут различны, то между ними будет происходить обмен энергией. При этом, как видно из опыта, передача тепловой энергии происходит от более нагретого тела к менее нагретому.

Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины в зависимости от температуры. Однако чаще всего на практике (то есть в большинстве термометров) используется зависимость объёма жидкости (чаще ртути или спирта) от температуры. Но вы наверняка знаете, что различные жидкости по-разному ведут себя при расширении. Поэтому градуировка шкалы термометра будет зависеть от свойств данной жидкости. Следовательно, и расстояния между двумя соседними отметками на шкале будут различны.

Для примера представим, что мы находимся в лаборатории, температура воздуха в которой постоянна. Возьмём два одинаковых достаточно узких сосуда. Пусть один из них частично наполнен глицерином, а второй — бензином так, чтобы положения столбиков обеих жидкостей были одинаковы.

Теперь поместим оба сосуда в горячую воду, температуру которой мы можем поддерживать постоянной, и немного подождём. Нетрудно заметить, что при установлении теплового равновесия высота столбика бензина гораздо выше высоты столбика глицерина.

О чём это говорит? О том, что при использовании разных жидкостей температурные шкалы будут иметь разный вид. Но тогда какое вещество выбрать, чтобы избавиться от этой зависимости, и существует ли оно?

Оно существует — и это газ. Правда не обычный, а разрежённый. Уже давно было замечено, что в отличие от жидкостей все разрежённые газы — водород, гелий, кислород — расширяются при нагревании одинаково и одинаково меняют своё давление при изменении температуры.

В связи с этим в физике для установления рациональной температурной шкалы используют изменение давления определённого количества разрежённого газа при постоянном объёме или изменение объёма газа при постоянном давлении. Такую шкалу часто называют идеальной газовой шкалой температур.

При её установлении удаётся избавиться ещё от одного существенного недостатка шкалы Цельсия — произвольности выбора нулевой температуры.

А сейчас давайте с вами решим одну небольшую задачу. В 1966 году режиссёр Франсуа Трюффо снял антиутопический фильм о будущем по одноимённому роману Рэя Брэдбери «451^о по Фаренгейту». «Переведите» название фильма в шкалу Цельсия.