Тепловое движение. Температура

Тепловое движение. Температура.

Исходные понятия и определения термодинамики и молекулярной физики.

Молекулярная физика- это раздел физической науки, который изучает зависимость агрегатных состояний и свойств тел от их строения, взаимодействия между частицами, из которых состоят тела,  характера движения этих частиц. Уже давно доказано, что все тела состоят из атомов, молекул или ионов, находящихся в непрерывном хаотическом тепловом движении. Теория, основанная на этих представлениях называется молекулярно-кинетической. Её основоположником  является М.В. Ломоносов (XVIIIв).

Во второй половине прошлого столетия выдающиеся физики Д.Джоуль, Р.Клаузиус, Д.Максвелл, Л.Больцман и другие в своих работах продолжили всестороннее изучение молекулярно-кинетической теории, нашедшей применение во многих областях физики и химии.

Число атомов (молекул) в любом теле огромно. Например в 1 м³ газа при обычных давлениях и температурах содержится порядка 10²⁵ молекул, а в жидких и твердых телах- порядка 10²⁸ молекул. Физические свойства макроскопических систем, состоящих из очень большого числа частиц, изучаются двумя взаимодополняющими друг друга методами: статистическим и термодинамическим. Статистический метод основан на использовании теории вероятностей и определенных моделей строения систем. Например, в газах по теории вероятностей можно определить среднее значение скоростей теплового движения молекул и их энергий, найти зависимость температуры от средней энергии колебательного движения частиц в твердом теле. Законы движения отдельных частиц после усреднения по всей системе определяют свойства системы частиц.

Термодинамический метод - это метод в котором не рассматриваются внутреннее строение изучаемых тел и характер движения их отдельных частиц. Этот метод основан на анализе условий и количественных соотношений при различных превращениях энергии, происходящих в системе. Раздел физики, в котором физические свойства тел изучаются с помощью термодинамического метода - называется термодинамикой. Макроскопическая система, изучаемая в термодинамике называется термодинамической системой. Физические величины, которые служат для характеристики термодинамической системы, называются термодинамическими параметрами. К ним относятся: давление, объем, температура, концентрация и другие. В нашей лекции мы остановимся подробно на одной из этих характеристик, а именно температуре.

Температура

В молекулярно- кинетической теории температура рассматривается как мера интенсивности теплового движения атомов, молекул и других частиц образующих систему. В системе частиц, которые описываются законами статистической физики и находятся в равновесном состоянии, средняя кинетическая энергия теплового движения частиц прямо пропорциональна термодинамической температуре системы. Поэтому иногда говорят, что температура характеризует степень нагретости тела. Привычное, знакомое каждому понятие температуры далеко не так просто, и едва ли можно найти другое физическое понятие, определение которого так резко расходилось бы с житейским пониманием этого слова. Определение температуры как степени нагретости тела кажется простым и понятным, потому что связано с физиологическим ощущением тепла. Однако понятия «теплый», «холодный», «горячий» очень относительны. Например, температура наружного воздуха 0⁰ С воспринимается нами в разное время года по-разному: в декабре - как «тепло», а в августе – как «холодно». Измерение температуры связано с установлением теплового равновесия. Если тела имеют разную температуру, то происходит передача энергии от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой до момента когда температуры тел не станут равными. В этом случае говорят, что система находится в динамическом тепловом равновесии.

Измерение температуры

При измерении температуры, которое можно производить только косвенным путем, используется зависимость от температуры целого ряда физических свойств тела, поддающихся прямому  или косвенному измерению. Например, при изменении температуры тела изменяются его длина, объем, плотность, упругие свойства, электрическое сопротивление и т.д. Изменение любого из этих свойств является основой для измерения температуры. Для этого необходимо знать функциональную зависимость определенного свойства от температуры. Для практических измерений температуры применяются температурные шкалы, установленные с помощью термометрических тел (вода, спирт, ртуть, металлы и т.д.).

Изобретение первого термометра приписывают Галилею. При повышении температуры воздух, находящийся в шарике термометра, расширялся и заставлял воду в трубке опускаться на несколько делений вниз. Чтобы этот прибор мог называться термометром он должен иметь шкалу. Первый термометр был несовершенен. На его показания влияло не только изменение температуры, но и атмосферное давление. Термометр Галилея не имел нулевого деления и градусы были совершенно произвольны, поэтому показания различных термометров были разными. Нуль на термометрическую шкалу впервые поместил бургомистр города Магдебурга Отто Герике. Этот термометр состоял из медного шара с U-образной трубкой, в которую был налит спирт. На поверхности спирта плавал поплавок, а от него шла нитка, перекинутая через блок. На конце нитки была подвешена фигурка ангела, державшего в руке палочку, которой он показывал деление шкалы, нарисованной на стене дома. За нуль Герике выбрал температуру осеннего дня 1660 года, когда был первый заморозок в городе Магдебурге. Недостатки термометра Герике были точно такие же, что и у термометра Галилея. В термометре Геомюра один градус обозначал расширение спирта на 0,001 первоначального объема. За нуль он принял температуру тающего льда, вода при таком масштабе кипела при температуре 80⁰. Фаренгейт на  шкале своего термометра за нуль градусов принял наиболее низкую, искусственно достигнутую температуру смеси снега, соли и нашатыря, чтобы избежать отрицательных значений температур. На термометре Цельсия первоначально за нуль была принята точка кипения воды, а точка замерзания воды соответственно за 100⁰ . Лишь в 1742 году была введена современная шкала этого термометра. Из истории создания термометра можно сделать вывод, что нуль шкалы, т.е. исходная точка для отсчета температуры, была выбрана произвольно. Кроме того,  на показания термометра большое влияние оказывает выбор вещества, которым заполнена трубка. Значит ни одна шкала, несмотря на совершенство изготовления, не может служить абсолютной шкалой температур. Между тем , точное определение температуры не должно зависеть от выбора вещества. Такой шкалой стала шкала температур Кельвина.

В основу "термодинамической шкалы температур" или шкалы Кельвина положена формула ɳ = (T1 - Т2)/ T1 . Эта формула не содержит величин, зависящих от природы вещества. Температура исходной точки термодинамической шкалы (абсолютный нуль) по шкале Цельсия (стоградусной шкале) равна: 0⁰ - 273,150= - 273,150 С.

 Т= t +273, где Т - абсолютная температура (К), t - температура по шкале Цельсия (С).

Понятие абсолютного нуля можно объяснить исходя из молекулярно-кинетических представлений. Так как давление газа вызвано ударами беспорядочно движущихся молекул о стенки сосудов, то по мере понижения его температуры до нуля прекращается тепловое поступательное движение молекул. Но нельзя замедлить полностью движение молекул после того, как их поступательное движение прекратилось. Сохраняется вращательное движение молекул, колебательное движение атомов, элементарных частиц. Температура, при которой прекращается тепловое поступательное движение молекул, называется абсолютным нулем. При абсолютном нуле у частиц остается некоторая энергия, называемая "нулевой энергией". Мысль о том, что должден существовать такой нижний предел температуры, при котором прекращается тепловое движение молекул высказывал М.В. Ломоносов. У вещества при температурах близких к абсолютному нулю проявляются неожиданные новые свойства. Изучение этих свойтв началось с тех пор, как Фарадею удалось получить жидкий аммиак, хлор, углекислый газ. Ученых XIX века поражали свойства сжижаемых газов. При испарении эти сжиженные газы сильно охлаждались, и с помощью их удавалось перевести в жидкое сотояние следующий, более стойкий газ. Но некоторые газы, среди них и  воздух, не сжижались ни под каким давлением.

Свойства вещества вблизи абсолютного нуля

В 1860 году Д.И. Менделееев пришел к мысли, что для всякой жидкости существует предельная температура, выше которой она может быть только паром или газом, каким бы высоким не было внешним давление. Эту температуру сейчас называют "критической температурой". Чтобы перевести газ в жидкое состояние, нужно охладить его до температуры ниже критической. Физики достигли таких низких температур, что от абсолютного нуля их отделяет всего 0,00002⁰ С. В настоящее время в жидкое, а затем твердое состояние переведены все известные газы. В этих состояниях они широко используются в различных областях деятельности человека. Гелий- единственный газ, который не может быть обращен в твердое состояние без сжатия его до давления 2,5*10⁶ Па и выше. Именно при исследовании гелия открылся мир необычайных явлений противоречащих обычным представлениям  о свойствах вещества.

В 1938 году академиком П.Л.Капицей было открыто явление "сверхтекучести" гелия. Жидкий гелий оказался жидкостью наделенной необыкновенными свойтвами. При температуре Т= 2,18 К (-271⁰ С) жидкий гелий, внезапно, скачком совершенно теряет вязкость. В таком состоянии жидкий гелий свободно протекает через сколь угодно тонкие капилляры и для течения такой жидкости нет необходимости в перепаде давлений на концах участка струи. Академики Л.Д. Ландау и Н.Н. Боголюбов объяснили это явление на основе теории квантовой физики. При нагревании жидкости вязкость уменьшается и одновременно уменьшается теплопроводность, а у гелия же при Т = 2,18 К наблюдается противоположное явление: внезапно, скачком, уменьшается до нуля вязкость, а теплопроводность очень сильно увеличивается. Также удивительным и неожиданным оказалось явление сверхпроводимости веществ при температурах близких к абсолютному нулю. Все вещества обладают свойством сопротивления электрическому току. При сверхнизких температурах это свойство у некоторых металлов исчезает. Электричекий ток проходя через такой проводник, перестает нагревать его, а однажды полученный в замкнутом проводнике может существовать в нем неограниченно долго. Эти свойства веществ при сверхнизких температурах открыли новые, широкие горизонты в изучении законов природы.