Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
§ 4. Идеально-газовая шкала температур
1. При предварительном решении поставленного вопроса можно воспользоваться тем обстоятельством, что достаточно разреженные, так называемые идеальные газы с большой точностью подчиняются закону Бойля — Мариотта: произведение объема V данной массы газа на его давление Р зависит только от температуры. Это произведение можно принять за термометрическую величину а, а самый газ — за термометрическое тело. Таким путем приходят к идеально-газовой шкале температур. Идеально-газовая температура — это температура, отсчитываемая по газовому термометру, наполненному сильно разреженным газом. Температуру по идеально-газовой шкале будем обозначать большой буквой Т. При этом формула (3.1) переходит в PV =СТ, (4.1)
где С — постоянная, зависящая только от массы и химической природы газа.
Преимущество идеально-газовой шкалы температур перед всеми прочими эмпирическими температурными шкалами состоит в том, что, как показывает опыт, температура Т, определенная по формуле (4.1), очень слабо зависит от химической природы газа, которым наполнен резервуар газового термометра. Показания различных газовых термометров при измерении температуры одного и того же тела очень мало отличаются друг от друга. Поэтому, впредь до более совершенного определения (см. § 31), мы будем понимать под температурой Т величину, измеряемую с помощью идеально-газового термометра.
24
температура
[ГЛ. I
Практически газовый термометр можно реализовать двумя способами. В одном способе объем газа V поддерживается постоянным, индикатором температуры служит давление Р. Во втором способе поддерживается постоянное давление газа, измерение температуры сводится к измерению объема V. Принципиально оба способа равноправны. Но первый способ более удобен, а поэтому он и применяется на практике.
2. Принцип устройства газового термометра можно понять из схематического рис. 3. Уровень ртути в левом колене манометра
ненный реальным газом и соединенный с манометром при помощи капилляра. В качестве термометрического газа раньше употреблялся водород. В настоящее время применяется гелий и азот (последний в области высоких температур, где гелий не годится, так как он проходит сквозь стенки баллона). Давление газа измеряется манометром, находящимся при стандартной температуре. По давлению газа вычисляется измеряемая температура с учетом поправок на изменение объема баллона, неидеалыюсть газа и пр.
3. При Т = О уравнение (4.1) дает PV = 0. На этом основании заключают, что при такой температуре Р = 0, так как объем V в нуль обращаться не может. Далее, говорят, что это есть наиболее низкая из всех возможных температур, называемая абсолютным нулем температуры. Хотя это заключение и правильно, однако приведенная аргументация основана на экстраполяции и не имеет доказательной силы. По мере приближения к абсолютному нулю наблюдаются все более и более заметные отступления от законов
Рис. з.
при измерениях доводится до постоянной отметки О, чтобы обеспечить постоянство объема газа в баллоне Л. В действительности газовый термометр представляет собой весьма сложное устройство, а измерение температуры с помощью этого термометра — нелегкую экспериментальную процедуру, требующую большой тщательности. Не останавливаясь на этих вопросах, ограничимся общим замечанием, что газовый термометр представляет собой стеклянный, кварцевый или металлический баллон неизменного объема, запол-
ИДЕАЛЬНО-ГАЗОВАЯ ШКАЛА ТЕМПЕРАТУР
25
идеальных газов. Все газы начинают конденсироваться еще до достижения абсолютного нуля. Строгое доказательство существования абсолютного нуля температуры основано на втором начале термодинамики (см. § 31).
Классическая физика полагала, что при абсолютном нуле атомномолекулярное движение прекращается. В действительности это не так. Предположение о полном покое атомов и молекул противоречит принципу неопределенности Гайзенберга. При абсолютном нуле остается еще весьма интенсивное движение частиц, из которых состоит тело. Ему соответствует минимальная энергия, которая от тела уже не может быть отнята (если остаются постоянными объем и прочие внешние параметры, определяющие состояние тела). Но это движение уже не является тепловым. Соответствующая ему энергия называется нулевой энергией. Наличием нулевой энергии объясняются многие явления. Так, нулевая энергия жидкого гелия столь велика (в три раза больше, чем теплота испарения), что кристалл гелия, находящийся под давлением собственных насыщенных паров, становится нестабильным и переходит в жидкое состояние, Затвердевание гелия возможно лишь при повышенном давлении, Под влиянием давления атомы гелия сближаются, и силы молекулярного притяжения возрастают. Это обстоятельство и делает возможным переход гелия в твердое состояние.
Таким образом, абсолютный нуль может быть определен как такая температура, при которой в теле прекращается тепловое движение и остается только движение частиц, связанное с нулевой энергией. Абсолютный нуль является самой низкой и «холодной» из всех возможных температур. Температура, отсчитываемая от абсолютного нуля, называется абсолютной температурой. До недавнего времени единица температуры в идеально-газовой абсолютной шкале называлась градусом Кельвина в честь английского физика лорда Кельвина (1824—1907), предложившего термодинамическую шкалу температур, тождественную с идеально-газовой шкалой. Недавно, в целях сокращения, такую единицу стали называть просто кельвин (сокращенно К). Эта единица однозначно определяется требованием, чтобы температура тройной точки воды была равна 273,16 К.
