Температура - Смородинский Я.А.
Скачать (прямая ссылка):
электронвольта: меньшей энергии атом просто не может воспринять. Одна
десятая электронвольта - это, примерно, 1000 К- При температурах такого
порядка
155
многие тела начинают светиться, подтверждая этим факты возбуждения
электронов.
При температурах, несколько больших (10 000 К и выше)., электроны при
столкновениях атомов могут отрываться от атомных оболочек и вместе с
ионами вступать в состав газа. Идеальный газ при этом "кончается" и в
сосуде оказываетс-я смесь электронов и ионов, свойства которой будут
весьма далеки от свойств газов, к которым мы привыкли при более
нормальных температурах. Смесь ионов и электронов (к которой, конечно,
примешиваются и нейтральные атомы) называют плазмой. Плазма была раньше
довольно редким объектом исследования: с ней имели дело в газовом разряде
и об ее свойствах мало кто знал. Сейчас плазму называют четвертым
состоянием вещества, с ней имеют дело те, кто занимается ускорителями,
астрофизики, и, особенно, ученые, занимающиеся проблемой освоения
термоядерной энергии.
Термоядерная плазма еще более горячая, в нее входят нейтроны, выбитые из
легких ядер,- ради нейтронов и сооружаются эти установки. Энергии
нейтронов составляют тысячи электронвольт - миллионы градусов.
Конечно градусы здесь условные - полного теплового равновесия в такой
плазме нет и речь обычно идет о характеристике средней энергии.
Термояд - не наша тема и мы лишь обратим внимание как в плазме с ростом
температуры (т. е. энергии) в игру вступают все новые степени свободы -
чем выше температура, тем больше частиц участвует в тепловом равновесии.
С уменьшением температуры нейтроны "возвращаются" обратно в ядра,
электроны "садятся" на свои орбиты; степени свободы вымерзают совсем так,
как говорил Нернст, который, конечно, не мог и предполагать каким
окажется механизм "замерзания степеней свободы". При еще больших
температурах электроны и протоны рождаются из вакуума при столкновениях -
это температура масштаба 109-1010 К. При температурах 1013 К рождаются
нуклоны. Такие процессы бурно развивались на ранних этапах развития
Вселенной.
Температуры, о которых мы сейчас говорим, измерять прямо невозможно. Нет
термометра, который бы можно было "засунуть" в плазму.
156
Температуру оценивают по излучению, по энергии частиц, вычисляют... Но
миллионы градусов в лаборатории сейчас становятся реальностью.
Можно, конечно, спросить: а в чем хранить нейтронный газ в миллион
градусов? Вот это делать научились: газ "подвешивается" в вакууме сложной
системой магнитных полей (их называют "бутылками", "пробками" и другими
названиями).
В заключение зададим вопрос: о какой самой большой температуре имеет
смысл разговаривать (конечно, не измерять)? Такая температура есть в
списке планковских единиц. Это температура 7'р = 4-103! К или 4-1027 эВ =
4-10 18 ГэВ.
Плазма с такой температурой, как сейчас думают, существовала в самом
начале развития Вселенной. Охлаждение такой сверхрелятивистской плазмы,
сопровождающее фазовыми переходами, вело к современной Вселенной. Здесь
начинается область науки и фантазии, в которую мы сейчас входить не будем
*).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Почему до сих пор температуру измеряют в градусах, а количество тепла - в
калориях, а не в единицах энергии -джоулях?
Физики неохотно расстаются со старыми величинами не только потому, что
отдают дань привычке.
Хотя прошло много лет с тех пор, как Майер и Джоуль определили, сколько
джоулей отвечает одной калории, измерить количество работы, отвечающей
заданному количеству тепла, очень трудно, если это надо сделать точно.
Идеальные процессы, описанные в книге, позволяют в принципе выполнить
такое задание, ко реализовать обратимый процесс с достаточной точностью
до сих пор мы не умеем. Поэтому количество тепла лучше измерять тепловым
способом, с помощью хорошего калориметра, а не с помощью механического
прибора, производящего работу.
Так же обстоит дело и с температурой. Даже если бы мы могли достаточно
точно измерить скорости всех молекул, то для того, чтобы вычислить из
измеренного
*) Об этом увлекательно рассказано в книге: С. Вайнберг. Первые три
минуты. - М..: Энергия, 1980.
157
распределения скоростей температуру, надо было бы произвести сложные
расчеты, на точность которых трудно положиться. Только если газ идеальный
и мы знаем, что распределение скоростей в нем описывается формулой
Максвелла, задача становится простой. Но если газ идеальный, то проще
использовать уравнение состояния и измерять температуру газовым
термометром.
Тепловые единицы до сих пор остаются не похожими на единицы, используемые
в механике. Связь их с механикой заключена в двух постоянных -
механическом эквиваленте тепла, связывающем калорию с джоулем, и
постоянной Больцмана, связывающей градус с джоулем.
Естественная тепловая шкала будет установлена тогда, когда физики
научатся хорошо измерять работу в тепловом цикле (используя первое начало
термодинамики) и устраивать цикл Карно для измерения отношения температур
