Температура и средняя кинетическая энергия теплового движения молекул. Термометры. Температурные шкалы

Температу́ра (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — скалярная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Температура всех частей системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не находится в равновесии, то между её частями, имеющими различную температуру, происходит теплопередача (переход энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым), приводящая к выравниванию температур в системе. Таким образом, именно средняя кинетическая энергия атомов и молекул служит характеристикой системы в состоянии равновесия. Это свойство позволяет определить параметр состояния, выравнивающийся у всех тел, контактирующих между собой, как величину, пропорциональную средней кинетической энергии частиц в сосуде. Чтобы связать энергию с температурой, Больцман ввел коэффициент пропорциональности k:

, (13)

где <v²_кв> – средняя квадратичная скорость молекул,

k = 1,38·10^-23 Дж·К^-1 – постоянная Больцмана.

Величину T называют абсолютной температурой и измеряют в градусах Кельвина (К). Она служит мерой кинетической энергии теплового движения частиц идеального газа.

Из (13) получим:

. (14)

Формула (14) применима для расчетов средней кинетической энергии на одну молекулу идеального газа.

Так как температура определяется средней энергией движения молекул, то она, как и давление, является статистической величиной, то есть параметром, проявляющимся в результате совокупного действия огромного числа молекул. Из ходя из этого основное уравнение молекулярно-кинетической теории можно вывести из P=2/3 n<E_k>, где <E_k>=3/2 kT, n – концентрация молекул газа. Отсюда:

P = nkT. (15)

Температура не может быть измерена непосредственно. Об изменении температуры судят по изменению других физических параметров тел (объёма, давления, электрического сопротивления, интенсивности излучения и др.), однозначно с ней связанных (так называемых термометрических свойств). Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. Классическим примером термодинамического термометра может служить газовый термометр, в котором температуру определяют методом измерения давления газа в баллоне постоянного объёма (рис. 5).

Объем газа в трубке пропорционален температуре, а поскольку высота подъема ртутной капли пропорциональна объему V, то она пропорциональна и температуре Т. В газовом термометре необходимо использовать идеальный газ, если в трубку вместо идеального газа поместить фиксированное количество жидкой ртути, то получим обычный ртутный термометр, так как объем ртути вблизи комнатной температуры изменяется почти пропорционально температуре.

Термометры, в которых вместо идеального газа используются какие-либо другие вещества, приходится калибровать по показаниям точных газовых термометров. Используемые в быту температурные шкалы — как Цельсия, так и Фаренгейта (используемая, в основном, в США), — не являются абсолютными и поэтому неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды, из-за чего температуру приходится выражать отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур.

Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая — абсолютной термодинамической шкалой (шкалой Кельвина); температуры по ним измеряются, соответственно, в градусах Ранкина (°Ra) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля. Различаются они тем, что цена одного деления по шкале Кельвина равна цене деления шкалы Цельсия, а цена деления шкалы Ранкина эквивалентна цене деления термометров со шкалой Фаренгейта. Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

В физике и технике за абсолютную шкалу температур принята шкала Кельвина. В системе СИ термодинамическую шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: t(°С) = Т(К) — 273,15. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °F = 9/5( t °С+32).

Современная термометрия основана на шкале идеального газа, где в качестве термометрической величины используют давление. Шкала газового термометра – является абсолютной (Т = 0; Р = 0). Также на практике для измерения температуры также используют жидкостные и механические термометры, термопару, термометр сопротивления, газовый термометр, пирометр. Самым точным практическим термометром является платиновый термометр сопротивления. Разработаны новейшие методы измерения температуры, основанные на измерении параметров лазерного излучения.

Лабораторная работа

Газовые законы.