Температура
Это термодинамическая величина, определяющая степень нагретости тела. Тела, имеющие более высокую температуру, являются более нагретыми. Согласно второму закону термодинамики, самопроизвольный переход тепла возможен только от тел с более высокой к телам с более низкой температурой. В состоянии теплового равновесия температура выравнивается во всех частях сколь угодно сложной системы.
Мерой изменения температуры тела может служить изменение какого-либо свойства, зависящего от нее, например объема, электросопротивления и др. Чаще всего для измерения температуры используют изменение объема. На этом основано устройство термометров. Первый термометр был изобретен Галилеем ок. 1600 г. В качестве термометрического вещества, т. е. тела, расширяющегося при нагревании, в нем использовалась вода. Для определения температуры тела термометр приводят в соприкосновение с телом; по достижении теплового равновесия термометр показывает температуру тела.
Разные тела при нагревании расширяются по-разному, поэтому шкала термометра зависит от термометрического вещества. Для практических целей термометры градуируют по точкам плавления или кипения или каким-либо другим, лишь бы процесс происходил при постоянной температуре. Наибольшее распространение имеет стоградусная шкала (или шкала Цельсия, по имени шведского физика, предложившего ее). По этой шкале лед плавится при 0° С, а вода кипит при 100° С, и расстояние между ними делится на 100 частей, каждая из которых считается градусом. Поскольку точно воспроизвести условия плавления льда и кипения воды трудно, в международной практической температурной шкале, принятой в 1968 г., имеются и другие опорные точки, которые можно легче и точнее измерить. В результате точность измерения температур в обычных лабораториях достигает десятых процента, а в эталонных — тысячных.
В Англии и США иногда пользуются шкалой Фаренгейта, в которой температура плавления льда составляет 32°, а кипения воды 212°; во Франции — шкалой Реомюра: 0° и 80° соответственно.
Английский физик У. Томсон, анализируя цикл Карно, заметил, что работа этого цикла зависит только от температуры нагревателя и холодильника и не зависит от устройства тепловой машины, реализующей цикл Карно, и используемого в ней рабочего вещества. Измеряя отношение количеств теплоты, взятой от нагревателя и отданной холодильнику, можно найти отношение температур этих двух тел. Определенная таким образом шкала температур является абсолютной; она не зависит от термометрического вещества. Чтобы такой шкалой пользоваться, надо только произвольно задать одну точку на ней, одно численное значение температуры. Например, лед плавится по шкале Кельвина при 273,15 К, т. е. 0° С соответствует 273,15 К. Благодаря счастливому стечению обстоятельств (все газы при малых плотностях расширяются при нагревании одинаково) абсолютная шкала практически совпадает со шкалой газового термометра.
В настоящее время методами магнитного охлаждения получены очень низкие, близкие к абсолютному нулю температуры в несколько мил-ликельвинов и очень высокие — в миллионы Кельвинов (в термоядерной плазме).
Из кинетической теории следует, что средняя кинетическая энергия поступательного теплового движения молекулы равна (3/2)kT, где Т — абсолютная температура в кельвинах, a k — постоянная Больцмана (1,38•10-23 Дж/К). Таким образом, абсолютная температура с точностью до постоянного множителя совпадает со средней энергией теплового движения молекул. С этой точки зрения понятие температуры, как и другие термодинамические понятия, имеет смысл только для макроскопических систем, в которых возможно установление теплового равновесия. Понятие температуры применимо не только к телам, состоящим из атомов, молекул, ионов, но и к электронному газу, электромагнитному излучению (фотонному газу), атомным ядрам и т. д.
