Температура как физическая величина¶

Температура — скалярная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы и пропорциональная средней кинетической энергии теплового движения частиц, составляющих систему. В Международной системе единиц (СИ) температура измеряется в кельвинах (К); на практике также широко используются градусы Цельсия (°C), градусы Фаренгейта (°F) и другие шкалы.

¶Физическая сущность

С точки зрения статистической физики, температура является мерой интенсивности теплового движения частиц вещества — атомов и молекул. Для идеального газа средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы прямо пропорциональна абсолютной температуре: \( \overline{E_k} = \frac{3}{2} k_B T \), где \( k_B \) — постоянная Больцмана. Таким образом, температура — макроскопический параметр, отражающий微观 (микроскопическое) состояние системы из огромного числа частиц.

Температура относится к интенсивным величинам: она не зависит от количества вещества в системе. При приведении двух тел с разной температурой в тепловой контакт между ними происходит теплообмен, который прекращается при выравнивании температур — наступает тепловое равновесие. Это свойство лежит в основе нулевого начала термодинамики.

¶История развития понятия

До XVII века существовали лишь качественные представления о степени нагретости тел. Итальянский учёный Галилео Галилей около 1597 года создал первый прообраз термоскопа — прибора, реагирующего на изменение теплового состояния. В 1714 году немецкий физик Даниэль Габриель Фаренгейт изготовил первый надёжный ртутный термометр и предложил температурную шкалу, названную его именем. В 1742 году шведский астроном Андерс Цельсий разработал стоградусную шкалу, где за 0° принята температура кипения воды, а за 100° — температура её плавления; позднее шкалу инвертировали в современный вид.

Важный теоретический вклад внёс Уильям Томсон (лорд Кельвин). В 1848 году он предложил абсолютную термодинамическую шкалу, не зависящую от свойств конкретного термометрического вещества. Нижняя граница этой шкалы — абсолютный ноль — соответствует минимально возможной энергии теплового движения. В 1954 году на Генеральной конференции по мерам и весам шкала Кельвина была принята в качестве основной: за реперную точку взята тройная точка воды (273,16 К).

¶Шкалы измерения

Существует несколько температурных шкал, различающихся опорными точками и размером градуса:

• Шкала Кельвина — абсолютная термодинамическая шкала, единица — кельвин. Ноль шкалы (0 К = −273,15 °C) — абсолютный ноль температур. Используется в науке как основная.
• Шкала Цельсия — наиболее распространена в мире; за 0° принята температура плавления льда, за 100° — кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Соотношение: \( T(°C) = T(K) - 273{,}15 \).
• Шкала Фаренгейта — используется в США и некоторых других странах. Точка замерзания воды — 32 °F, кипения — 212 °F. Перевод: \( T(°F) = T(°C) \times 9/5 + 32 \).
• Шкала Реомюра — историческая, использовалась в Европе; 0° — таяние льда, 80° — кипение воды. Ныне практически вышла из употребления.

¶Способы измерения

Измерение температуры основано на изменении физических свойств тел при нагревании. Основные типы термометров:

• Жидкостные — используют тепловое расширение жидкости (ртуть, спирт, органические жидкости) в стеклянном капилляре. Диапазон — от −200 до +750 °C.
• Биметаллические — две пластины из металлов с разным коэффициентом расширения изгибаются при нагреве; применяются в бытовых термостатах.
• Термопары — спай двух разнородных металлов, в котором возникает термо-ЭДС, пропорциональная разности температур. Диапазон — от −250 до +2500 °C.
• Термометры сопротивления — используют зависимость электрического сопротивления металлов (платина, медь) или полупроводников (термисторы) от температуры. Платиновые термометры — эталонные в диапазоне от −200 до +850 °C.
• Пирометры — бесконтактные приборы, измеряющие тепловое излучение тела. Позволяют измерять температуру от −50 до +4000 °C и выше, включая расплавленные металлы и плазму.
• Оптоволоконные — основаны на изменении пропускания или отражения света волокном; применяются в агрессивных средах и при электромагнитных помехах.

Для точных научных измерений используется Международная температурная шкала МТШ-90, определяющая реперные точки (тройные точки, точки плавления и затвердевания чистых веществ) и интерполяционные приборы.

¶Значение температуры в природе и технике

Температура — один из важнейших параметров состояния вещества. Её изменение вызывает фазовые переходы: плавление, кипение, конденсацию, сублимацию. Диапазон температур во Вселенной чрезвычайно широк: от долей кельвина в межзвёздном пространстве до сотен миллионов кельвинов в недрах звёзд. На Земле температура определяет климатические зоны, погодные явления и условия существования живых организмов.

В технике контроль температуры критичен для множества процессов: металлургии (плавка и термообработка), химической промышленности (скорость реакций), энергетике (работа турбин и реакторов), электронике (тепловыделение микросхем), медицине (диагностика и терапия). Для живых организмов поддержание постоянной температуры тела (терморегуляция) является условием нормального метаболизма; отклонение на несколько градусов от нормы у теплокровных ведёт к патологическим состояниям.

В физике низких температур (криогенике) при температурах ниже 4,2 К гелий переходит в сверхтекучее состояние, а некоторые металлы и сплавы — в сверхпроводящее. Изучение поведения вещества при экстремально низких температурах привело к открытию таких квантовых явлений, как конденсат Бозе — Эйнштейна.

¶Температура в быту и культуре

В повседневной жизни температура воспринимается через ощущения тепла и холода. Для комфортного самочувствия человека температура воздуха в помещении обычно поддерживается в диапазоне 18–24 °C. Нормальная температура тела здорового человека — около 36,6 °C. Температурные показатели широко используются в метеорологии для прогноза погоды и описания климата.

Температурные понятия проникли в язык и культуру как метафоры: «горячий» и «холодный» типы темперамента, «накал страстей», «ледяное спокойствие». В кулинарии точное соблюдение температурного режима определяет качество приготовления пищи: от запекания до пастеризации молочных продуктов.

¶Пределы температуры

Теоретическим нижним пределом является абсолютный ноль (0 К), при котором тепловое движение частиц прекращается полностью. Достижение этой температуры невозможно согласно третьему началу термодинамики, однако экспериментально удалось приблизиться к ней на расстояние порядка 10⁻⁹ К (нанокельвины) в лабораториях по охлаждению атомов лазерными методами.

Верхнего теоретического предела температуры не существует. В лабораторных условиях на ускорителях частиц достигаются температуры порядка 10¹² К, а в первые мгновения после Большого взрыва температура Вселенной оценивается величинами порядка 10³² К (планковская температура).