Абсолютная шкала температур

Практическое измерение температур, основанное на использовании зависимости параметров вещества от температуры, является крайне приближенным вследствие нелинейного характера такой зависимости. Исключение составляет идеальный газ, для которого

$Т=pV/R$

Здесь при $V=const$ давление и температура находятся в строгой пропорциональной зависимости. Однако и в этом случае любой разреженный газ является лишь приближением к идеальному, а при низких температурах и зависимость и вовсе вырождается. Все это свидетельствует о том, что способ измерения абсолютной температуры, основанный на использовании зависимости параметров вещества от температуры, является несовершенным.

Измерение температуры через количество теплоты

Принципиально совершенным был бы такой способ измерения температуры, который бы не зависел от природы используемого вещества, в частности такой, который следует из равенства отношений температур и количества теплоты в оборотном цикле Карно:

$T1/T2 = Q1/Q2$

В целесообразности этого способа легко убедиться, если мысленно представить последовательность циклов Карно с одним и тем же рабочим телом между тепловыми резервуарами с температурами $T1>T2 > Т3> ... > Тn$, который осуществляется по правилу: резервуар с температурой Т2 служит холодильником для первого цикла и отопителем для второго, резервуар с температурой $Т3$ - холодильником для второго и отопителем для третьего цикла и т. д. Графически эти циклы будут отражены, если изотермы для указанных температур пересечь двумя соответствующими адиабатами - $ab$ и $cd$:

Для такой последовательности циклов получаем обобщенное равенство

$T1:T2 :Т3: ... :Тn= Q1:Q2 :Q3: ... :Qn,$

из которого следует, что отношение температур тепловых резервуаров равно отношению количеств теплоты, которыми они обмениваются с рабочим телом, причем это равенство не зависит от природы рабочего тела.

Заметим, что соотношение между количествами теплоты можно определять, не прибегая к измерению температур, например по соотношению масс расплавленного кристаллического тела. Таким образом, данное равенство открывает возможность измерения абсолютного значения температуры. Остается только выбрать единицу температуры.

Единицы температуры

Известно, что для определения единицы температуры (градуса в эмпирических шкалах) необходимо было выбрать две реперные точки (например, в шкале Цельсия - точки таяния льда и кипения воды). Для абсолютной шкалы температур достаточно одной реперной точки - температуры тройной точки воды $Tq = 273,16 К$, другой реперной точкой служит абсолютный ноль. Так теоретически выглядят термодинамическая шкала температур и способ измерения температуры.

Абсолютный ноль

Заметим, что хотя рассматриваемый способ громоздкий и практически непригоден для измерения температур, однако он открывает возможность градуировки реальных термометров в любом интервале. Поскольку соотношение температур и количеств теплоты получено с использованием зависимостей для идеального газа, его температурная шкала тождественна термодинамической шкале температур, но последняя имеет более общий смысл.

Здесь абсолютный ноль определяет состояние, при котором тепловые характеристики вещества превращаются в ноль.

В общем случае температура определяется как производная энергии тела в целом по его энтропии:

$Т=δU/δS$

В завершение следует отметить, что для измерения низких температур используется газовый гелиевый термометр; очень низких (менее 4 К) - зависимость магнитных свойств тел от температуры; средних и высоких - газовые водородные и электрические термометры; температур свыше 1500 К - оптические пирометры.

С точки зрения физики абсолютный ноль температуры должен отражать мнимое состояние молекулярного покоя. Однако, как известно, кроме поступательного молекулам присущи еще вращательные и колебательные движения, в частности в кристаллах температура определяется энергией колебательного движения узлов решетки.

Согласно квантовой механике при абсолютном ноле атомы и молекулы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, не находятся в полном покое, а совершают «нолевые» колебания и имеют нолевую энергию. Достижения абсолютного ноля невозможно.

В лабораторных условиях способом откачки паров изотопа 3 Не достигается температура 0,3 К, методом адиабатического размагничивания парамагнитных солей - температура 10-3 К; этим же методом с использованием ядерного парамагнетизму в системе ядер - температура 10-6 К.

Заказать статью по физике у экспертов биржи Студворк!

Тест по теме «Абсолютная шкала температур»