Просмотр кода страницы Термодинамическая температура

'''Термодинами́ческая температу́ра''' ({{lang-en|thermodynamic temperature}}, {{lang-de|thermodynamische Temperatur}}), или '''абсолю́тная температу́ра''' ({{lang-en|absolute temperature}}, {{lang-de|absolute Temperatur}}) является единственной функцией состояния [[Термодинамическая система|термодинамической системы]], которая характеризует направление самопроизвольного теплообмена между телами (системами){{sfn|''Белоконь Н. И.'' Основные принципы термодинамики|1968|с=10, 55}}{{sfn|''Кириллин В. А.'' Техническая термодинамика|1983|с=5}}.

Термодинамическая [[температура]] обозначается буквой <math>T</math>, измеряется в [[кельвин]]ах (обозначается{{nbsp}}K) и отсчитывается по абсолютной термодинамической шкале (шкале Кельвина). Абсолютная термодинамическая шкала является основной шкалой в физике и в уравнениях термодинамики.

Молекулярно-кинетическая теория, со своей стороны, связывает абсолютную температуру со средней кинетической энергией поступательного движения молекул идеального газа в условиях термодинамического равновесия:

: <math>\frac{1}{2} m\bar{v}^2 = \frac{3}{2}kT,</math>

где <math> m</math> ─ масса молекулы, <math> \bar{v} </math> ─ [[Распределение Максвелла|средняя квадратичная скорость поступательного движения молекул]], <math> T</math> ─ абсолютная температура, <math>k</math> ─ [[постоянная Больцмана]].

== История ==
Измерение температуры прошло долгий и трудный путь в своём развитии. Так как температура не может быть измерена непосредственно, то для её измерения использовали свойства [[Термометрия|термометрических тел]], которые находились в функциональной зависимости от температуры. На этой основе были разработаны различные температурные шкалы, которые получили название ''эмпирических'', а измеренная с их помощью температура называется эмпирической. Существенными недостатками эмпирических шкал являются отсутствие их непрерывности и несовпадение значений температур для разных термометрических тел: как между реперными точками, так и за их пределами. Отсутствие непрерывности эмпирических шкал связано с отсутствием в природе вещества, которое способно сохранять свои свойства во всём диапазоне возможных температур. В 1848 году Томсон (лорд Кельвин) предложил выбрать градус температурной шкалы таким образом, чтобы в её пределах эффективность идеальной [[Тепловые машины|тепловой машины]] была одинаковой. В дальнейшем, в 1854 году он предложил использовать обратную функцию Карно для построения термодинамической шкалы, не зависящей от свойств термометрических тел. Однако, практическая реализация этой идеи оказалась невозможной. В начале XIX века в поисках «абсолютного» прибора для измерения температуры снова вернулись к идее идеального газового термометра, основанного на законах идеальных газов Гей-Люссака и Шарля. Газовый термометр в течение долгого времени был единственным способом воспроизведения абсолютной температуры. Новые направления в воспроизведении абсолютной температурной шкалы основаны на использовании уравнения Стефана ─ Больцмана в бесконтактной термометрии и уравнения Гарри (Харри) Найквиста ─ в контактной.{{sfn|''Різак В., Різак І., Рудавський Е.'' Кріогенна фізика і техніка|2006| с=174—175}}

== Физические основы построения термодинамической шкалы температур ==
1. Термодинамическая шкала температур принципиально может быть построена на основании [[Теорема Карно (термодинамика)|теоремы Карно]], которая утверждает, что коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя не зависит от природы рабочего тела и конструкции двигателя, и зависит только от температур нагревателя и холодильника.

: <math>\eta=\frac{Q_1-Q_2} {Q_1}=\frac{T_1-T_2} {T_1},</math>

где <math>Q_1</math> — количество теплоты, полученной рабочим телом (идеальным газом) от нагревателя, <math>Q_2</math> — количество теплоты, отданное рабочим телом холодильнику, <math>T_1, T_2</math> — температуры нагревателя и холодильника, соответственно.

Из приведённого выше уравнения следует соотношение:

: <math>\frac{ Q_{1} }{ Q_{2} } = \frac{ T_{1} }{ T_{2} }.</math>

Это соотношение может быть использовано для построения ''абсолютной термодинамической температуры''. Если один из изотермических процессов [[Цикл Карно|цикла Карно]] <math>Q_3</math> проводить при температуре [[Тройная точка воды|тройной точки воды]] (реперная точка), установленной произвольно ─ <math>T_3=273{,}16\,K,</math> то любая другая температура будет определяться по формуле <math>T=273{,}16 \frac{Q}{ Q_{3} }</math>.{{sfn|''Різак В., Різак І., Рудавський Е.'' Кріогенна фізика і техніка|2006| с=17—18}} Установленная таким образом температурная шкала называется ''термодинамической шкалой Кельвина''. К сожалению, точность измерения количества теплоты невысока, что не позволяет реализовать вышеописанный способ на практике.

2. Абсолютная температурная шкала может быть построена, если использовать в качестве термометрического тела идеальный газ. В самом деле, из [[Уравнение состояния идеального газа|уравнения Клапейрона]] вытекает соотношение

: <math>T=\frac{pV}{R}.</math>

Если измерять давление газа, близкого по свойствам к идеальному, находящегося в герметичном сосуде постоянного объёма, то таким способом можно установить температурную шкалу, которая носит название ''идеально-газовой.'' Преимущество этой шкалы состоит в том, что давление идеального газа при <math>V=const</math> изменяется линейно с температурой. Поскольку даже сильно разреженные газы по своим свойствам несколько отличаются от идеального газа, то реализация идеально-газовой шкалы связана с определёнными трудностями.

3. В различных учебниках по термодинамике приводятся доказательства того, что температура, измеренная по идеально-газовой шкале, совпадает с термодинамической температурой. Следует, однако, оговориться: несмотря на то, что численно термодинамическая и идеально-газовая шкалы абсолютно идентичны, с качественной точки зрения между ними есть принципиальная разница. Только термодинамическая шкала является абсолютно независимой от свойств термометрического вещества.

4. Как уже было указано, точное воспроизведение термодинамической шкалы, а также идеально-газовой, сопряжено с серьёзными трудностями. В первом случае необходимо тщательно измерять количество теплоты, которая подводится и отводится в изотермических процессах идеального теплового двигателя. Такого рода измерения неточны. Воспроизведение термодинамической (идеально-газовой) температурной шкалы в диапазоне от{{nbsp}}10 до {{num|1337|K}} возможно с помощью газового термометра. При более высоких температурах заметно проявляется диффузия реального газа сквозь стенки резервуара, а при температурах в несколько тысяч градусов многоатомные газы распадаются на атомы. При ещё больших температурах реальные газы ионизируются и превращаются в плазму, которая не подчиняется уравнению Клапейрона. Наиболее низкая температура, которая может быть измерена газовым термометром, заполненным гелием при низком давлении равна {{num|1|K}}. Для измерения температур за пределами возможностей газовых термометров используют специальные методы измерения. Подробнее см. ''[[Термометрия]]''.

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* {{УРЕ}}
* {{МГЕ|nocat=1}}
* {{книга |автор=Белоконь Н. И. |заглавие=Термодинамика |место=М. |издательство=Госэнергоиздат |год=1954 |том= |страниц=417 |серия= |isbn= |ref=''Белоконь Н. И.'' Термодинамика}}
* {{книга |автор=Белоконь Н. И. |заглавие=Основные принципы термодинамики |место=М. |издательство=Недра |год=1968 |том= |страниц=112 |серия= |isbn= |ref=''Белоконь Н. И.'' Основные принципы термодинамики}}
* {{книга |автор=Кириллин В. А. |заглавие=Техническая термодинамика |место=М. |издательство=Энергоатомиздат |год=1983 |том= |страниц=414 |серия= |isbn= |ref=''Кириллин В. А.'' Техническая термодинамика}}
* {{книга |автор=Вукалович М. П., Новиков И. И. |заглавие=Техническая термодинамика |место=М. |издательство=Энергия |год=1968 |том= |страниц=497 |серия= |isbn= |ref=''Вукалович М. П., Новиков И. И.'' Техническая термодинамика}}
* {{книга |автор=[[Сивухин, Дмитрий Васильевич|Сивухин Д. В.]] |заглавие=Общий курс физики. Т.{{nbsp}}II. Термодинамика и молекулярная физика |издательство=Физматлит |год=2005 |место=М. |страниц=544 |isbn=5-9221-0601-5 |ref=''Сивухин Д. В.'' Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика}}
* {{книга |автор=Базаров И. П. |заглавие=Термодинамика |издательство=Высшая школа |год=1991 |место=М. |страниц=376 |isbn=5-06-000626-3 |ref=''Базаров И. П.'' Термодинамика}}
* {{книга |автор=Різак В., Різак І., Рудавський Е. |заглавие=Кріогенна фізика і техніка |издательство=Наукова думка |год=2006 |место=К. |страниц=512 |isbn=966-00-480-X |ref=''Різак В., Різак І., Рудавський Е.'' Кріогенна фізика і техніка}}

[[Категория:Температура]]
[[Категория:Термодинамика]]