Абсолютная температура, температура, отсчитываемая от абсолютного нуля, обозначается Т. Понятие " Абсолютная температура " было введено в 1848 У. Томсоном (Кельвином) на основании второго начала термодинамики. Абсолютную температуру можно измерять по различным шкалам. Международное признание получили термодинамическая и международная практическая температурные шкалы. По обеим шкалам единицей абсолютной температуры является кельвин (К).

***

Абсолютная температура – одно из основных понятий термодинамики, введенное У. Томсоном (лордом Кельвином; W. Thomson) в 1848; обозначается буквой Т. Согласно второму началу термодинамики, - интегрирующий множитель для количества теплоты , полученного системой при любом обратимом процессе, поэтому

дифференциал функции состояния S (энтропии). Это позволяет ввести абсолютную термодинамическую шкалу Кельвина с помощью обратимых термодинамических циклов, например цикла Карно. Абсолютная температура связана с энтропией, внутренней энергией U и объемом V соотношением

Абсолютная температура выражается в Кельвинах (К), отсчитывается от абсолютного нуля температуры и измеряется по Международной практической температурной шкале.

В статистической физике входит в каноническое распределение Гиббса

где Н – функция Гамильтона системы, Z – статистический интеграл. В статистической теории неравновесных процессов абсолютная температура вводится с помощью локально-равновесного распределения, подобного распределению Гиббса, но с абсолютной температурой, зависящей от пространственных координат и времени.

***

Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии используется модель идеального газа. Идеальным принято считать газ, если: а) между молекулами отсутствуют силы притяжения, т. е. молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела; б) газ очень разряжен, т.е. расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул; в) тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно. Условия, необходимые для того, чтобы реальный газ обрел свойства идеального, осуществляются при соответствующем разряжении реального газа. Некоторые газы даже при комнатной температуре и атмосферном давлении слабо отличаются от идеальных. Основными параметрами идеального газа являются давление, объем и температура. Одним из первых и важных успехов МКТ (молекулярно-кинетической теории) было качественное и количественное объяснение давления газа на стенки сосуда. Качественное объяснение заключается в том, что молекулы газа при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела и передают свои импульсы стенкам сосуда. На основании использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получено основное уравнение МКТ идеального газа, которое выглядит так:

где р – давление идеального газа, m₀ – масса молекулы, - среднее значение концентрация молекул, квадрата скорости молекул. Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа

получим основное уравнение МКТ идеального газа в виде:

Однако, измерив только давление газа, невозможно узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужно измерение еще какой-то физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной является температура. Температура – скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия (состояния, при котором не происходит изменения микроскопических параметров). Как термодинамическая величина температура характеризует тепловое состояние системы и измеряется степенью его отклонения от принятого за нулевое, как молекулярно-кинетиче-ская величина – характеризует интенсивность хаотического движения молекул и измеряется их средней кинетической энергией. Ек = 3/2 kT, где k = 1,38 • 10^(-23) Дж/К и называется постоянной Больцмана. Температура всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова. Измеряется температура термометрами в градусах различных температурных шкал. Существует абсолютная термодинамическая шкала (шкала Кельвина) и различные эмпирические шкалы, которые отличаются начальными точками. До введения абсолютной шкалы температур в практике широкое распространение получила шкала Цельсия (за О °С принята точка замерзания воды, за 100 °С принята точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении). Единица температуры по абсолютной шкале называется Кельвином и выбрана равной одному градусу по шкале Цельсия 1 К = 1 °С. В шкале Кельвина за ноль принят абсолютный ноль температур, т. е. температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме равно нулю. Вычисления дают результат, что абсолютный нуль температуры равен -273 °С. Таким образом, между абсолютной шкалой температур и шкалой Цельсия существует связь Т = t °C + 273. Абсолютный нуль температур недостижим, так как любое охлаждение основано на испарении молекул с поверхности, а при приближении к абсолютному нулю скорость поступательного движения молекул настолько замедляется, что испарение практически прекращается. Теоретически при абсолютном нуле скорость поступательного движения молекул равна нулю, т. е. прекращается тепловое движение молекул.

 

 

 

 

Существует множество различных шкал температур. Когда-то температура определялась очень произвольно. Мерой температуры служили метки, нанесенные на равных расстояниях на стенах трубочки, в которой при нагревании расширялась вода. Потом решили измерить температуру ртутным термометром и обнаружили, что градусные расстояния не одинаковы. В термодинамике дается определение температуры, не зависящее от каких-либо частных свойств вещества.

Введем функцию f(T), которая не зависит от свойств вещества. Из термодинамики следует, что если какая-то тепловая машина, поглощая количество теплоты Q₁ при T₁ выделяет тепло Q_s при температуре в один градус, а другая машина, поглотив тепло Q₂ при T₂, выделяет то же самое тепло Q_s при температуре в один градус, то машина, поглощающая Q₁ при T₁ должна при температуре T₂ выделять тепло Q₂. Конечно, между теплом Q и температурой T существует зависимость и тепло Q₁ должно быть пропорционально Q_s. Таким образом, каждому количеству тепла Q_s, выделенного при температуре в один градус, соответствует количество тепла, поглощенного машиной при температуре T, равное Q_s, умноженному на некоторую возрастающую функцию f температуры:

Поскольку найденная функция возрастает с температурой, то можно считать, что она сама по себе измеряет температуру, начиная со стандартной температуры в один градус. Это означает, что можно найти температуру тела, определив количество тепла, которое поглощается тепловой машиной, работающей в интервале между температурой тела и температурой в один градус. Полученная таким образом температура называется абсолютной термодинамической температурой и не зависит от свойств вещества. Таким образом, для обратимой тепловой машины выполняется равенство:

где S – энтропия

Для системы, в которой энтропия S может быть функцией S(E) ее энергии Е, термодинамическая температура определяется как: