Температура как физическая величина¶

Температура — физическая величина, характеризующая состояние термодинамической системы и определяющая направление самопроизвольного теплообмена между телами. В Международной системе единиц (СИ) измеряется в кельвинах (К); на практике широко применяются градусы Цельсия (°C) и, в ряде стран, градусы Фаренгейта (°F). С микроскопической точки зрения температура отражает интенсивность теплового движения частиц, из которых состоит вещество.

¶Физический смысл

Температура не является мерой энергии тела как таковой, а характеризует распределение энергии по степеням свободы. Для идеального газа средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы прямо пропорциональна абсолютной температуре:

⟨E⟩ = (3/2)·k·T,

где k — постоянная Больцмана (≈1,38·10⁻²³ Дж/К), T — абсолютная температура. Это соотношение связывает макроскопический параметр с микроскопической картиной движения частиц.

Существует понятие абсолютного нуля — минимальной температуры, при которой тепловое движение в классическом смысле прекращается. По современному определению абсолютный ноль равен 0 К, что соответствует −273,15 °C. Достичь его точно невозможно (третий закон термодинамики), но значения порядка нанокельвинов получены экспериментально.

¶Шкалы температуры

Исторически сложилось несколько температурных шкал.

Шкала Цельсия названа по имени шведского астронома Андерса Цельсия (предложена в 1742 году, изначально с обратным направлением отсчёта). Шкала Фаренгейта появилась в 1724 году и до сих пор используется в быту в США. Шкала Кельвина, предложенная Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1848 году, принята как основная в науке, поскольку её нуль совпадает с абсолютным нулём.

¶Способы измерения

Приборы для измерения температуры называются термометрами. Их действие основано на различных физических явлениях:

• Тепловое расширение — жидкостные (ртутные, спиртовые) и биметаллические термометры.
• Термоэлектрический эффект — термопары, вырабатывающие ЭДС при разности температур спаев.
• Изменение электрического сопротивления — терморезисторы (термисторы), платиновые термометры сопротивления.
• Тепловое излучение — пирометры и инфракрасные термометры, измеряющие без контакта с объектом.
• Давление насыщенного пара — применяется в специальных газовых и конденсационных термометрах.

Точность измерения зависит от метода и диапазона: бытовые термометры дают погрешность в доли градуса, лабораторные эталоны — до миллионных долей кельвина.

¶Температурные диапазоны

Диапазон наблюдаемых температур чрезвычайно широк.

• Реликтовое излучение Вселенной соответствует примерно 2,7 К.
• Температура жидкого гелия при нормальном давлении — около 4,2 К.
• Температура поверхности Солнца — примерно 5800 К.
• В центре Солнца — порядка 15 млн К.
• В экспериментах по управляемому термоядерному синтезу достигаются температуры свыше 100 млн К.

¶Роль в природе и технике

Температура — один из ключевых параметров, определяющих состояние вещества: твёрдое, жидкое, газообразное, а также плазменное. При определённых температурах происходят фазовые переходы — плавление, кипение, сублимация. Температура влияет на скорость химических реакций (правило Вант-Гоффа), на электрические свойства материалов (сверхпроводимость возникает ниже критической температуры), на биологические процессы.

В метеорологии температура воздуха — важнейшая характеристика погоды и климата. В медицине температура тела человека служит диагностическим показателем: норма составляет примерно 36,6 °C, отклонения указывают на патологические процессы. В технике температурный режим контролируется в двигателях, металлургических печах, холодильных установках, электронике.

¶Температура и термодинамика

В термодинамике температура входит в уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева — Клапейрона):

pV = νRT,

где p — давление, V — объём, ν — количество вещества, R — универсальная газовая постоянная. Температура определяет КПД тепловых машин через цикл Карно: максимальный КПД зависит только от температур нагревателя и холодильника.

Понятие температуры тесно связано с энтропией: обратная температура есть производная энтропии по внутренней энергии. Это позволяет вводить температуру и для систем с отрицательной абсолютной температурой (например, в некоторых квантовых системах со инверсной населённостью уровней).

¶Интересные факты

• Самая низкая температура, зарегистрированная в природе на поверхности Земли, — около −89,2 °C (станция «Восток» в Антарктиде, 1983 год).
• Самая высокая температура, полученная человеком в лаборатории, превышает 10 трлн К (в столкновениях тяжёлых ионов на ускорителях).
• Вода кипит при пониженном давлении при температуре ниже 100 °C — на вершине Эвереста около 70 °C.
• Температура пламени обычной свечи достигает примерно 1400 °C.