Абсолютная температура¶
Абсолютная температура — температура, отсчёт которой ведётся от абсолютного нуля, то есть от минимально возможной температуры в природе, при которой тепловое движение частиц идеального газа стремится к нулю. Абсолютная температура измеряется в кельвинах (К), международная система единиц (СИ) именно кельвин принимает за основную единицу температуры. В отличие от шкал Цельсия и Фаренгейта, начало шкалы кельвина совпадает с абсолютным нулём, поэтому абсолютная температура не может быть отрицательной.
¶Абсолютный ноль и начало шкалы
Абсолютный ноль соответствует температуре −273,15 °C (−459,67 °F). При этой температуре энтропия идеального газа обращается в ноль, а молекулы идеального газа обладают минимальной кинетической энергией, соответствующей нулевым квантовым колебаниям. Достижимость абсолютного нуля на практике ограничена третьим началом термодинамики (называемым также неразрешимостью принципа «достичь нуля за конечное число операций»), сформулированным Вальтером Нернстом в 1906 году.
¶История
Идея абсолютной шкалы температуры была впервые высказана Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1848 году. Томсон предложил шкалу, не зависящую от свойств конкретного термометрического вещества, — так называемую абсолютную термодинамическую шкалу, основанную на законах Карно для тепловой машины. В 1852 году Джеймс Прескотт Джоуль и Томсон экспериментально определили величину абсолютного нуля как −273,1 °C.
До 1968 года кельвин определялся как 1/273,16 разницы между тройной точкой воды и абсолютным нулём. В 1968 году Международная система единиц утвердила кельвин как основную единицу температуры, а в 2019 году — после пересмотра определений фундаментальных единиц СИ — кельвин был переопределён через постоянную Больцмана k = 1,380649 × 10⁻²³ Дж/К, что сделало шкалу независимой от свойств воды.
¶Связь со шкалами Цельсия и Фаренгейта
Перевод между абсолютной температурой (в кельвинах) и шкалой Цельсия выражается простым соотношением:
T(K) = t(°C) + 273,15
Обратная формула: t(°C) = T(K) − 273,15.
Для шкалы Фаренгейта: T(K) = (t(°F) + 459,67) × 5/9.
Следует помнить, что разность температур в кельвинах численно равна разности в градусах Цельсия, однако при умножении или делении на коэффициенты (например, при расчёте газового закона) необходимо использовать именно абсолютную температуру.
¶Физическое значение
Абсолютная температура характеризует среднюю кинетическую энергию хаотического движения частиц. Для однозарядного атома идеального газа:
(3/2) k T = ε̄,
где ε̄ — средняя кинетическая энергия поступательного движения одной частицы, k — постоянная Больцмана. Именно поэтому в уравнениях молекулярно-кинетической теории и термодинамики температура всегда фигурирует в кельвинах.
Абсолютная температура входит в основные уравнения физики:
- уравнение состояния идеального газа PV = nRT, где R — универсальная газовая постоянная;
- закон Стефана — Больцмана для излучения абсолютно чёрного тела: E = σT⁴;
- планковский закон излучения;
- уравнение Нернста — Энштейна для магнитной подвижности парамагнетиков.
¶Измерение и практическое применение
Для измерения температур ниже 0 °C в физике и технике используются термометры, калиброванные в кельвинах: криометры, сопротивления (платиновые, кремниевые), магнитные термометры, термопары. В диапазоне от 0,001 К до 13,77 К (точка замораживания водорода) действует международная практическая шкала температуры ITS-90, опирающаяся на ряд эталонных точек фазовых переходов чистых веществ.
Наиболее низкие температуры, достигнутые в лабораторных условиях, составляют порядка 38 пикокельвинов (3,8 × 10⁻¹¹ К), полученных в 2021 году в Боннском университете методом адиабатного размагничивания ядер. При таких температурах формируется конденсат Бозе — Эйнштейна, наблюдается сверхтекучесть гелия-4 и сверхпроводимость.
¶Интересные факты
- В 1995 году НАСА запустило аппарат «Deep Space 1», а в 2006 году — «New Horizons»; в криостатах космических аппаратов поддерживаются температуры порядка нескольких кельвинов.
- Космическое фоновое излучение, оставшееся от Большого взрыва, имеет температуру 2,725 К.
- Температура поверхности Солнца — около 5778 К, а в его ядре — примерно 1,5 × 10⁷ К.
Источники:
- Международная система единиц (СИ), 9-е издание, Бюро мер и весов, 2019
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том II. Термодинамика и молекулярная физика
- Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Статистическая физика
- Гуревич А. Г. Техническая термодинамика
- Практическая шкала температуры ITS-90, ITS-90 Guide, BIPM