Температура как физическая величина¶

Температура — физическая величина, характеризующая степень нагретости тела или системы и определяющая направление самопроизвольного теплообмена между ними. В термодинамике температура выступает интенсивной величиной: она не зависит от массы и размеров тела и описывает состояние системы в целом. С молекулярно-кинетической точки зрения температура пропорциональна средней кинетической энергии теплового движения частиц, из которых состоит вещество.

¶Определение и физический смысл

Если два тела привести в тепловой контакт и тепло самопроизвольно переходит от одного к другому, тела имеют разную температуру. Состояние, при котором теплообмен прекращается, называют тепловым равновесием; температуры тел в этом состоянии равны. Это свойство лежит в основе нулевого начала термодинамики.

В статистической физике для системы из многих частиц температура T связывается со средней кинетической энергией поступательного движения молекул соотношением, включающим постоянную Больцмана k. Чем выше температура, тем интенсивнее хаотическое движение атомов и молекул. При абсолютном нуле движение не прекращается полностью, но энергия тепловых колебаний минимальна.

¶Температурные шкалы

Исторически сложилось несколько шкал, различающихся опорными точками и единицей измерения.

• Шкала Цельсия (°C). Точка замерзания воды при нормальном атмосферном давлении принята за 0 °C, кипения — за 100 °C. Шкала широко применяется в быту, метеорологии и технике.
• Шкала Кельвина (K). Абсолютная термодинамическая шкала, начало которой — абсолютный нуль. Один кельвин равен одному градусу Цельсия, но отсчёт ведётся от нуля кельвинов. Соотношение: T(K) = t(°C) + 273,15. В системе СИ кельвин — основная единица температуры.
• Шкала Фаренгейта (°F). Используется преимущественно в США. Точка замерзания воды — 32 °F, кипения — 212 °F.
• Шкала Реомюра (°R). Применялась в России и ряде европейских стран в XVIII–XIX веках; ныне вышла из употребления.

Пересчёт между шкалами выполняют по линейным формулам, что позволяет сопоставлять измерения.

¶Измерение температуры

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

Точность измерения зависит от градуировки, условий среды и метода. Для эталонных измерений служат государственные эталоны, обеспечивающие единство измерений в стране.

¶Температура в природе и технике

Диапазон встречающихся температур огромен. В космосе температура реликтового излучения составляет около 2,7 K. На поверхности Солнца она достигает примерно 6000 K, в его недрах — миллионов кельвинов. На Земле климатические температуры лежат в пределах от примерно −89 °C (Антарктида) до +57 °C (пустынные районы).

В технике и промышленности температурный фактор критичен для металлургии, химического синтеза, энергетики, двигателестроения. Управление температурой лежит в основе работы тепловых машин, холодильных установок, систем отопления и кондиционирования.

В России температурные режимы нормируются, в частности, для жилых помещений, производственных условий и транспортировки продуктов. Существуют санитарные нормы, определяющие допустимые значения температуры в помещениях разного назначения.

¶Температура и здоровье человека

Нормальная температура тела человека составляет в среднем 36,5–36,9 °C. Она поддерживается механизмами терморегуляции. Повышение температуры (лихорадка) — типичная реакция на инфекцию; понижение (гипотермия) опасно для жизни. Измерение температуры тела — один из базовых диагностических приёмов в медицине.

¶Температура и климат

Средняя глобальная температура служит ключевым индикатором климатических изменений. Её систематические наблюдения ведутся с середины XIX века. В России регулярные метеорологические наблюдения организованы сетью гидрометслужебных станций; данные используются в прогнозировании, сельском хозяйстве и оценке многолетних трендов.

¶Интересные факты

• Абсолютный нуль (0 K, −273,15 °C) недостижим; к нему можно лишь приближаться.
• Самая высокая температура, полученная в лаборатории, превышает миллионы кельвинов в экспериментах по термоядерному синтезу.
• Температура влияет на скорость химических реакций: правило Вант-Гоффа связывает рост скорости с повышением температуры.
• В физике элементарных частиц используют понятие температуры как меры энергии системы, что связывает термодинамику с космологией.

¶Источники

• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том 2. Термодинамика и молекулярная физика.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика.
• Материалы по метрологии и температурным шкалам.
• Данные метеорологических и климатологических наблюдений.