Миф о температуре
Вот злонравия достойные плоды!
Д.И. Фонвизин. Недоросль
Что такое температура?
Трудно найти физическую величину, более
важную для науки, техники и всей повседневной жизни, чем температура. Изменению
температуры и связанным с ним превращениям одного вида энергии в другой в
квазистатических процессах целиком посвящена такая физическая дисциплина, как термодинамика, а определение зависимости
от температуры различных свойств кристаллов составляет основную проблематику физики твёрдого тела. Все
производственные процессы металлургии связаны с получением и использованием
высоких температур, а применения холодильной и криогенной техники – с тем же
самым для низких температур. Неудивительно поэтому, что проблемы измерения
температуры в различных температурных диапазонах потребовали для своего решения
разработки большого количества разных типов термометров
и даже развития отдельной научной дициплины – термометрии.
При такой важности понятия температуры
следует ожидать, что оно имеет чёткое, однозначное определение. В частности,
определение должно давать возможность удостовериться в том, что используемый
термометр измеряет именно температуру, а не что-нибудь другое. Наконец,
определение температуры должно быть или единым для всех областей физики, или, в
крайнем случае, если таких определений несколько, они должны быть полностью
согласованы друг с другом.
Совершенно ясно, что дававшееся нам в
средней школе определение: «температура – это степень нагретости тела» не
удовлетворяет даже элементарному требованию однозначности и не может
рассматриваться как строгое научное определение. Обратимся, однако, с вопросом
«Что такое температура?» к наиболее авторитетным научным справочникам.
Ответ, который даёт энциклопедия
В Большой Советской Энциклопедии имеется
статья Температура (в
физике), автором которой
является известный физик-теоретик Л.Ф. Андреев. В этой статье, в частности,
говорится:
Температура (в физике) (от лат. temperatura — надлежащее смешение,
соразмерность, нормальное состояние), физическая величина, характеризующая
состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Температура
(в физике) одинакова для всех частей изолированной системы,
находящейся в равновесии термодинамическом. Если изолированная
система не находится в равновесии, то с течением времени переход энергии
(теплопередача) от более нагретых частей системы к менее нагретым приводит к
выравниванию Температуры (в физике) во всей
системе (первый постулат, или нулевое начало термодинамики).
...
В кинетической теории газов и др. разделах статистической
механики Температура (в физике) количественно определяется
так, что средняя кинетическая энергия поступательного движения частицы
(обладающей тремя степенями свободы) равна 
k Т, где k — Больцмана постоянная, Т — температура...
В
общем случае Температура (в физике) определяется
как производная от энергии тела в целом по его энтропии...
Строго
определённой Температурой (в физике) характеризуется лишь
равновесное состояние тел...
Таким образом,
·
С точки зрения
теоретической физики температура строго определена только для состояния равновесия, которого в природе никогда не
бывает, и, следовательно, не определена ни в одной реальной ситуации.
Более того, из предлагаемого статистической
физикой и приведенного Андреевым определения температуры как производной от одной неизмеряемой величины
(энергии) по другой такой же
(энтропии) следует также, что даже в
состоянии, сколь угодно близком к равновесию, температура не может быть
измерена.
Между тем, как мы видели, измерение
температуры слишком важно для науки и практики, чтобы можно было от него
отказаться. Поэтому термометристам пришлось искать не вполне строгие с точки
зрения науки, но приемлемые для практики пути.
Как измеряется величина, которая не может
быть измерена
Газовые термометры дают реперные температурные точки
К счастью для практики, существует
отмеченное Андреевым пригодное только
для газов научное определение, даваемое кинетической теорией газов. Эта
теория не только определяет температуру газа как измеренную в температурных единицах среднюю кинетическую энергию
поступательного движения молекул газа, приходящуюся на одну степень свободы,
но и доказывает, что при достаточно низкой числовой плотности газа п (в идеально-газовом
состоянии) для давления р
выполняется соотношение:
р = п k Т. (1)
Как видно из (1), при заданной плотности
газа температура пропорциональна давлению, а, значит, заключив газ в баллон постоянного объёма и обеспечив
условия, при которых температурное поле в
баллоне однородно (всюду внутри баллона температура одинакова), можно
узнать величину температуры газа с помощью прибора, измеряющего давление. Эта
возможность была использована при создании газового
термометра, ставшего базой современной термометрии.
Рис. 1.
Принципиальная схема газового термометра
Устройство простейшего газового термометра
показано на Рис. 1, взятом из книги Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 2.
Термодинамика и молекулярная физика. Чувствительным элементом прибора
является наполненный газом баллон А,
погружённый в среду, температуру которой нужно измерить. Давление газа в баллоне
определяется по разности высот столбиков ртути в двух коленах U-образной трубки, а для поддержания постоянного
объёма газа колба с ртутью поднимается или опускается таким образом, чтобы
уровень ртути в соединённом с баллоном колене находился на фиксированном уровне
О.
Попытка измерить температуру в тех случаях,
когда неизвестно, что такое температура, основана на нулевом
начале термодинамики. Суть «нулевого начала» состоит в предположении,
что состояние любой системы может быть охарактеризовано некоторым интенсивным
параметром, называемым температура,
таким, что если на поверхности, разделяющей две системы, обеспечен тепловой
контакт (возможность обмениваться энергией) и при этом потоки энергии в
противоположных направлениях уравновешивают друг друга (имеется тепловое
равновесие), то температура этих систем одинакова.
В случае газового термометра газ в баллоне А имеет тепловой контакт со стенками
баллона, а стенки – с окружающей баллон средой. Таким образом, если газ в
баллоне, стенки баллона и окружающая баллон среда находятся в тепловом
равновесии друг с другом, то согласно нулевому началу
измеряемая
по давлению кинетическая температура газа в баллоне =
не
получившей определения температуре стенок баллона =
не
получившей определения температуре среды, окружающей баллон.
·
При использовании
кинетического определения температуры газа и нулевого начала термодинамики
газовый термометр позволяет измерять температуру окружающей баллон А среды,
находящейся в любом агрегатном состоянии, даже если эта температура не получила
строгого физического определения.
·
Для вещества,
находящегося в конденсированном состоянии, измерение температуры с помощью
газового термометра означает неявное определение его идеально-газовой температуры как температуры идеального газа,
который находится или мог бы находиться в тепловом равновесии с этим веществом.
·
Ввиду отсутствия
физического определения температуры конденсированной фазы измерение её
идеально-газовой температуры ничего не говорит о процессах в ней происходящих.
Как следует из предыдущего, газовый термометр может работать только в
специально созданных условиях теплового равновесия, требующих, в частности,
наличие стационарного и однородного
температурного поля в среде, окружающей баллон (при неоднородном
температурном поле будет обязательно иметь место теплообмен между стенками
баллона и окружающей их средой).
Реально требованиям стационарности и
однородности температурного поля можно удовлетворить в тех случаях, когда в
окружающей баллон среде происходит какой-либо из фазовых переходов жидкость↔пар, жидкость↔кристалл при постоянном
давлении или оба перехода одновременно (в тройной точке вещества).
С учётом указанных обстоятельств заключённым
в 1968 году международным соглашением термометристов утверждена Международная практическая температурная
шкала – 68 (МПТШ-68). Согласно
МПТШ-68 роль газового термометра ограничена измерением идеально-газовой
температуры в 11 надёжно воспроизводимых реперных
температурных точках – тройных точках равновесного водорода, кислорода,
воды; точке кипения равновесного водорода при давлении 33330,6 Па, точках
кипения при нормальном давлении 101325 Па равновесного водорода, неона,
кислорода, воды; точках затвердевания очень чистых цинка, серебра и золота.
Самую низкую идеально-газовую температуру среди реперных точек имеет тройная
точка равновесного водорода (13,81 К), а самую высокую – точка затвердеванмя
золота (1337, 58 К).
Заметим, что наличие фазового перехода при постоянном
давлении, гарантирующее постоянство температуры, связано с изменением
процентного содержания различных фаз и, следовательно, означает отсутствие термодинамического равновесия.
·
Идеально-газовая температура с точки зрения теоретической физики
температурой не является, а реперные точки не имеют смысла.
Использование образцовых
термометров
Для измерения температур, заключённых между
самой низкой и самой высокой реперными точками МПТШ-68 назначает два
стандартных образцовых термометра: платиновый термометр сопротивления в
интервале от 13,81 до 903,89 К (точка затвердевания серебра) и термопара платинородий-платина в
интервале от 903,89 до 1337,58 К.
Образцовые термометры, как и все контактные
термометры, фактически измеряют каждый свою квазитемпературу,
т.е. величину, характеризующую «степень нагретости» и более или менее близкую к идеально-газовой температуре. Так
платиновый термометр сопротивления измеряет удельное электрическое
сопротивление платины, которое пересчитывается из ом∙метров в кельвины
таким образом, чтобы в реперных точках получалась соответствующая идеально-газовая
температура, а во всех остальных точках – величина, рассчитываемая по некоторой
стандартизованной интерполяционной формуле. Получаемое в результате значение – платино-резисторная квазитемпература –
совпадает с идеально-газовой температурой только в реперных точках, а в
остальных отличается от неё, причём различие принципиально невозможно оценить.
Аналогично, платинородий-платиновая термопара измеряет величину
термоэлектрического эффекта Зеебека в вольтах, которая пересчитывается затем в
кельвины с помощью линейной интерполяции между двумя наивысшими реперными
точками, а получаемая величина представляет платинородий-платиновую
термоэлектрическую квазитемпературу.
С точки зрения практических применений
использование стандартизованных квазитемператур вполне приемлемо, т.к. даёт
воспроизводимую с высокой точностью степень нагретости. Однако в физической
науке дело обстоит совершенно иначе.
·
Применение
рекомендованных МПТШ-68 образцовых термометров в экспериментальной физике с
точки зрения теоретической физики незаконно и не может рассматриваться как
подтверждение или опровержение выводов теории.
·
Приняв предлагаемое
статистической физикой определение температуры, использующие понятие температура разделы теоретической физики
утратили связь с экспериментом и, следовательно, не имеют отношения к
физике.
Дата последнего обновления: 13.06.10
