Температура — мера средней кинетической энергии молекул¶

Температура — физическая величина, характеризующая степень нагретости макроскопического тела и определяющая направление теплопередачи между телами. В молекулярно-кинетической теории температура пропорциональна средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа. Измеряется в кельвинах (К) в Международной системе единиц (СИ), а также в градусах Цельсия (°C) и Фаренгейта (°F).

¶Определение и физический смысл

Температура — интенсивная величина: она не зависит от размеров тела. В статистической физике температура определяется через энтропию: 1/T = ∂S/∂E при постоянных объёме и числе частиц. Для идеального газа справедливо соотношение:

kT = (2/3)·⟨ε⟩,

где k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, ⟨ε⟩ — средняя кинетическая энергия одной молекулы. При температуре 0 К прекращается хаотичное тепловое движение молекул (в классическом представлении); по третему началу термодинамики достичь абсолютного нуля конечным числом операций невозможно.

¶Шкалы температуры

Перевод между шкалами: T[°C] = T[K] − 273,15; T[°F] = 1,8·T[°C] + 32.

¶История

Понятие температуры формировалось постепенно. В 1714 году немецкий физик Даниэль Габриэль Фаренгейт предложил свою шкалу, зафиксировав ноль по точке замерзания солёного раствора. В 1742 году шведский астроном Андерс Цельсий предложил шкалу, где 0 °C соответствовало замерзанию воды, а 100 °C — её кипению при нормальном давлении. В 1848 году британский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) обосновал абсолютную шкалу температуры, независимую от свойств конкретного вещества. Современное определение кельвина закреплено Международной системой единиц: с 2019 года кельвин определяется через фиксированное значение постоянной Больцмана k = 1,380649·10⁻²³ Дж/К.

¶Методы измерения

Для измерения температуры используют термометры различных типов:

• Жидкостные — стеклянные термометры с ртутью или спиртом, основаны на тепловом расширении жидкости.
• Биметаллические — пластины из двух металлов с разными коэффициентами расширения.
• Электрические — термопары (эффект Зеебека), термометры сопротивления (платиновые, полупроводниковые), диодные термометры.
• Инфракрасные — измеряют тепловое излучение тела.
• Пирометры — для высокотемпературных измерений (раскаленные тела, плазма).

Диапазон измеряемых температур огромен: от долей кельвина в криогенных установках до миллиардов кельвинов в ядерных реакциях.

¶Роль в термодинамике

Температура — одна из основных термодинамических величин. Второе начало термодинамики устанавливает, что тепло自发но передаётся от более горячего тела к более холодному, пока их температуры не уравняются (закон Фурье). Совместное изменение внутренней энергии, температуры и объёма описывается уравнениями состояния идеального газа (Менделеева — Клапейрона) и уравнениями Ван-дер-Ваальса для реальных газов.

¶Температура в природе и технике

Температура определяет агрегатное состояние вещества, скорость химических реакций, фазовые переходы. В биологии нормальная температура тела человека составляет около 36,6 °C; её повышение свыше 38 °C свидетельствует о лихорадке. В метеорологии средняя температура поверхности Земли — около +15 °C. В технике критическое значение имеет температура плавления и кипения материалов, температура Кюри ферромагнетиков, пределы термостойкости конструкций.

¶Интересные факты

• Самая низкая температура, зарегистрированная в лабораторных условиях, — доли нанокельвина (10⁻⁹ К), достигнутые методом охлаждения лазерами.
• Самая высокая температура в Солнечной системе наблюдается в ядре Солнца — около 15 миллионов К.
• Абсолютный ноль (0 К, −273,15 °C) недостижим практически, но температуры близкие к нему (микрокельвины) достигнуты в 2021 году в лабораториях.

Источники:

• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том 2. Термодинамика и молекулярная физика.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика.
• Международная система единиц (СИ), 9-е издание, BIPM.
• ГОСТ 8.586.1-2005. Государственная система обеспечения единства измерений. Методы и средства измерений температуры.