ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Что такое температура из "Как превращаются вещества Выпуск 36" В очень многих уравнениях химической физики встречаются выражения вида. Познакомившись с величиной и смыслом основания е, перейдем теперь к температуре. [c.33] Галилей был изобретателем одного из первых газовых термометров (1592 г.), но физического обоснования построения количественной температурной шкалы он не дал (задача такого рода во времена Галилея еще не могла быть поставлена). Флорентийские академики — ученики Галилея — провозгласили даже принцип, просуществовавший до XIX века Гораздо легче производить измерения, чем точно знать, что измеряется . [c.35] В этом плане первое определение лучше всех последующих. Можно пальцем пощупать разные участки системы и построить шкалу температур по принципу горячо—Холодно . И хотя палец как прибор несовершенен, качественное определение температуры — мера нагретости — может быть сделано. Казалось бы, остальное — вопрос тренировки. [c.35] Самое удивительное — это то, что физическая некорректность опыта Локка очень долго ускользала от внимания ученых, и до сих пор во многих учебниках (даже самых хороших и современных) высказывается точка зрения о не состоятельности тепловых ощущений. Еслн опыт Локка видоизменить и измерять температуру воды в среднем сосуде двумя термометрами, то в течение некоторого времени в одном термометре ртутный столбик будет подниматься, а в другом — опускаться до тех пор, пока показания обоих термометров не сравняются. Это будет означать, что оба прибора пришли в тепловое равновесие со средой. Но ведь и руки по прошествии времени привыкнут к температуре среднего сосуда, и нх показания станут одинаковыми Условие теплового равновесия между средой и измерительным инструментом одинаково обязательно как для термо метра, так и для руки. Однако сила укоренившейся привычки была столь велика, что среди сторонников недосто верности тепловых ощущений оказался даже Эйнштейн. [c.36] Несмотря на наглядность и идейную простоту приведенного способа определения температуры, понятно, что способ измерения, основанный на ощущениях, далеко не самый лучший. И дело не только в том, что реально достижимый (без риска обморозить или обжечь руки) диапа-зон измеряемых температур довольно узок, и даже ие в том, что сама измерительная процедура займет много времени, в связи с чем исследование быстрых температурных изменений натолкнется на принципиальные сложности. Главная проблема заключается в том, что мы не можем быть уверены в постоянстве температуры стандартных источников — в приведенном примере резервуаров с ледяной и кипящей водой. Погрузив руку в ледяную воду сегодня и, скажем, завтра, мы ие сможем с уверенностью сказать, что ощущения были одинаковы. Еще хуже дело будет обстоять с непрерывным измерением температуры, иапример в сосуде с остывающей водой, — рука, погруженная в такой сосуд, вообще не будет замечать температурных изменений в течение довольно длительного времени. Таким образом, возникает необходимость в создании термометрического устройства, которое при соблюдении некоторого числа ус ловий всегда будет показывать одинаковый,результат измерений. Для этого необходимо связать изменения в тепловых ощущениях, вызываемых контактом с каким-либо телом, с изменениями самого тела. Исторически первым ло наблюдение, что все (точнее, почти все) тела прн нагревании расширяются. Поэтому соотнесение температуры с объехмом определенного количества термометрическою вещества, — как правило, газа нлн жидкости — может рассматриваться как физический принцип построения термометрической шкалы. [c.37] Соврежнное представление об этом впервые было высказано великим немецким философом Гегелем. Он предло-разбить все физические величины на два класса интенсивные и экстенсивные. Экстенсивная величина пропорциональна количеству вещества, подвергнутому измерению примерами могут служить такие характеристики, как пасса, объем, количество движения и т. п. [c.39] Напротив, температура или давление газа, находящегося в состоянии равновесия, не зависят от разбиения системы на произвольное число частей и одинаковы для каждой части. Такие величины Гегель предложил называть интенсивными. Если экстенсивное свойство системы складывается нз одноименных свойств ее частей, то для интенсивных свойств это не так. [c.39] Интенсивные величины не подчиняются закону сложения и по Гегелю имеют свою определенность в некотором другом . Поэтому измерение интенсивной величины должно базирсшаться иа ее взаимосвязи с экстенсивными параметрами системы. Действительно, количественное рассмотрение интенсивных величин (той же температуры) порождает множество необычных парадоксов. Первый, очевидный, вытекает из того, что температура не аддитивна (т. е. не подчиняется правилу сложения). Еслн мы сольем равные объемы воды с температурой 50 то кипящая (стоградусная) смесь не получится. Никаких трудностей в понимании не возникает, еслн применительно к интенсивным величинам исключить нз употребления количественные числительные и пользоваться вместо них порядковыми каждая из частей воды нагрета до пятидесятого градуса (а не содержит их 50 штук), поэтому и смесь связана с пятидесятой отметкой термометра. Но этим трудности не ограничиваются. Согласно Гегелю, мы имеем право говорить, что температуры плавления льда и кипения воды различаются на 180 °F но у нас нет права говорить, что это различие такое же, как между 300 F и 480 F по той же шкале Ферек-гейта. Еще меньше мы можем утверждать, что температура 244 °Р равна сумме температур плавления льда (32 °F) н кипения воды (212 °F) . [c.39] Если наблюдать за системой достаточно долго, то ее фазовая траектория будет напоминать запутанный клубок, заполнивший все пространство, т. е. мы можем дождаться прохождения траектории через каждую точку фазового пространства Хотя бы по разу. Понятно, что различные точки фазового пространства будут проходиться неодинаково часто. Можио ввести понятие вероятности состояния систс-мы как доли времени, проводимого в этом состоянии. В силу полной хаотичности фазовой траектории можно предположить, что вероятность любого микроскопического состояния (ему соответствует точка в фазовом пространстве) определяется только его энергией — э-го основной постулат статистической физики. [c.40] В коэффициенте a должно быть скрыто определеиие температуры, поскольку а одинаков для всех частей системы, находящейся в равновесии. Мы могли бы назвать температурой и сам коэ ициеита, но таким образом определенная температура ие будет Совпадать с показаниями газового или любого другого термометра. Поэтому абсолютной термодинамической температурой называют величину Т — 11ка, где к 1,38-Ю 2- Дж/К — постоянная Больцмана. [c.41] Л1ожно показать, что такое определение температуры приводит к простому математическому выражению для большинства температурных зависимостей н численно совпадает с температурами, фигурирующими в уравнении состояния идеальных газов (закон Менделеева—Клапейрона), в законе Стефана—Больцмана, теореме Карно и т. д. Из сказанного выше стало ясно по крайней мере то, насколько сложнее и богаче истинный смысл понятия температуры по сравнению с бытовым понятием. Температуре посвящена отдельная книга Я- А. Смородинского, вышедшая в 1981 г. в серии Библиотечка Квант (выпуск 12). [c.41] Вернуться к основной статье