Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
4. Мы еще не дали точных определений понятиям «более холодный» и «более горячий». Полагаться на чувственные восприятия, приводящие к такого рода представлениям, нельзя по причинам, о которых сказано выше. Точное определение использует понятие энергии. Тело А называется более горячим или более нагретым, чем тело В, если при приведении этих тел в тепловой контакт энергия переходит от тела А к телу В; тело же В в этом случае называется более холодным или менее нагретым.
5. Поскольку обе величины Р и V для идеальных газов не могут быть отрицательными, абсолютная температура Т, определяемая
26
ТЕМПЕРАТУРА
[ГЛ. I
соотношением (4.1), может быть либо только положительной, либо только отрицательной. Первый случай реализуется, когда в качестве постоянной С взята положительная величина, второй — когда эта постоянная отрицательна. Так как условились температуру тройной точки воды считать положительной, то при таком соглашении второй случай отпадает. (Можно было бы поступать наоборот, тогда все абсолютные температуры были бы отрицательными.) Таким образом, абсолютная температура, определенная с помощью идеально-газового термометра, может быть только по-ложштльной. Более нагретым телам соответствуют более высокие, а менее нагретым — более низкие температуры.
6. Существование абсолютного нуля, как температуры, ниже которой тело охладить нельзя, конечно, не зависит ни от каких определений. Однако то обстоятельство, что такой температуре приписывается значение нуль градусов, является всего лишь произвольным соглашением. Можно было бы температуру определить так, чтобы абсолютному нулю соответствовало любое, наперед выбранное число градусов. Действительно, температурой можно было бы назвать не обязательно величину Т, определяемую соотношением (4.1), а любую функцию этой величины. Например, за температуру можно было бы принять логарифм Т. Тогда температура абсолютного нуля выражалась бы числом — оо, а температурная шкала заполняла бы весь бесконечный интервал от —оо до + оо. Однако нет оснований отступать от традиционного определения.
7. Наряду с абсолютной температурной шкалой в физике упот-
ребляется также шкала Цельсия (1701—1744), строящаяся известным способом по двум основным реперным точкам — нормальной точке плавления льда и нормальной точке кипения воды. Шкала Цельсия отличается от абсолютной шкалы положением нуля.
Если і — температура в градусах Цельсия, а Т — абсолютная
температура в кельвинах, то приближенно
t = 7-273,15 °С. (4.2)
Пользуясь этим выражением, уравнение (4.1), выражающее закон Бойля — Мариотта, можно записать в виде
РУ=РоУо(1+«0, (4.3)
где Р0 и У0 — давление и объем газа при температуре t = 0 °С, а а — постоянный коэффициент, численное значение которого приближенно равно
а = -—Ї °С"1
“ 273,15 ^ *
Этому коэффициенту можно дать двоякое физическое толкование. Если давление газа поддерживать постоянным, то формула (4.3) переходит в V — У0 (1 at) w показывает, что а. есть коэффициент
ИДЕАЛЬНО-ГАЗОВАЯ ШКАЛА ТЕМПЕРАТУР
27
объемного расширения газа. Наоборот, если поддерживать постоянным объем газа, то Р = Р0 (1 + at). Отсюда видно, что а есть приращение давления газа Р — Р0, отнесенное к единице приращения температуры t — /0, когда в качестве исходной взята температура /0 = О °С. Так определяемая величина называется термическим коэффициентом давления газа. Мы видим, что для идеальных газов коэффициент объемного расширения и термический коэффициент давления совпадают.
Формулы (4.3) и (4.1), устанавливающие линейную связь между произведением PV и температурой, не выражают какого-либо физического закона, а являются лишь следствиями выбранного способа построения температурной шкалы. Объективный физический закон состоит в том, что для всех идеальных газов коэффициент а один и тот же. Этот закон называется законом Гей-Люссака (1778—1850). Наличием такого закона, как уже отмечалось выше, и объясняется предпочтение, отдаваемое идеально-газовой шкале температур перед всеми прочими эмпирическими температурными шкалами.
8. Идеально-газовая шкала температур все же не может быть признана вполне удовлетворительной. Идеальных газов в строгом смысле слова не существует. В поведении реальных газов наблюдаются отступления от законов Бойля — Мариотта и Гей-Люссака, и притом не одинаковые для различных газов. Поэтому газовые термометры, наполненные различными газами, дают, хотя и близкие, но все же не вполне совпадающие показания. Правда, расхождения между ними стремятся к нулю по мере увеличения степени разрежения газов. Однако это имеет место не для всех температур. При температурах порядка тысячи и нескольких тысяч градусов многоатомные газы начинают диссоциировать, т. е. их молекулы распадаются на атомы. При еще более высоких температурах атомы ионизуются, т. е. распадаются на электройы и положительно заряженные ионы. Благодаря этому газы перестают подчиняться законам Бойля — Мариотта, даже если их степень разрежения сколь угодно велика. Это показывает, что газовый термометр не пригоден для установления температурной шкалы в области очень высоких температур. Газовые термометры не пригодны и для измерения очень низких температур — при понижении температуры все реальные газы в конце концов конденсируются. Самая низкая температура, которая может быть измерена с помощью газового термометра, составляет примерно 1 К при условии, что термометр наполнен гелием при низком давлении.
