§13.1. Теоретический материал. Абсолютный нуль температуры

Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование. Броуновское движение. Масса и размер молекул. Моль вещества. Постоянная Авогадро. Характер движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах.

Тепловое равновесие. Температура и ее физический смысл. Шкала температур Цельсия.

Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Средняя кинетическая энергия молекул и температура. Постоянная Больцмана. Абсолютная температурная шкала.

Однако из-за его абстракции он не применим непосредственно к многим практическим вычислениям в этой форме. Из этого, однако, можно получить большое количество дополнительных связей, два из которых кратко названы ниже. Таким образом, интегрируя интенсивность спектрального излучения по всем длинам волн, получается значение полного излучения, испускаемого телом.

На основе простой математической связи он очень хорошо подходит для оценок, в частности, для расчетов теплового баланса объектов, а также для отношений в суммарных пирометрах излучения. Однако диапазон спектрального измерения большинства измерительных приборов обычно очень ограничен, и поэтому это уравнение не может быть использовано для этой цели.

Уравнение Клапейрона - Менделеева (уравнение состояния идеального газа). Универсальная газовая постоянная. Изотермический, изохорный и изобарный процессы.

Молекулярно-кинетическая теория утверждает, чтовсе тела состоят из молекул, атомов или ионов (если речь идет о чистых элементах или ионных кристаллах), находящихся в непрерывном хаотическом движении (тепловое движение). Молекулярно-кинетическая теория экспериментально подтверждается броуновским движением, диффузией (в газах, жидкостях и твердых телах) и прямыми методами визуализации структуры в ионном проекторе и электронном микроскопе.

Чем ниже температура измеряемого объекта, тем больше его максимальное излучение смещается на большие длины волн. Вблизи комнатной температуры это примерно 10 мкм. Проницаемость воздуха очень сильно зависит от длины волны. Области с высоким затуханием чередуются с областями с высокой проницаемостью, так называемыми «атмосферными окнами». В то время как в диапазоне мкм, длинноволновом атмосферном окне, проницаемость равномерно высока даже на больших расстояниях, измеряемые аттенюации происходят в диапазоне мкм, коротковолновом атмосферном окне с измеримыми расстояниями в несколько десятков метров.

Броуновское движение было открыто в 1827 г. английским ботаником Р. Брауном, который под микроскопом заметил необычное движение спор плауна, взвешенных в воде. Броуновское движение наглядно подтверждает хаотичность теплового движения молекул. Броуновская частица движется под действием ударов молекул жидкости, но не в результате единичных столкновений (импульс молекулы слишком мал для заметного изменения импульса частицы), а в результате отсутствия компенсации ударов в разных направлениях, т.е. в результате флуктуации давления. Чем меньше размеры и масса частицы, тем интенсивней становится ее броуновское движение. Интенсивность броуновского движения повышается с температурой.

Влияния через измерительный объект

Черный радиатор как радиационно-физиологическая модель незаменим для рассмотрения фундаментальных соотношений. Однако, поскольку практические объекты измерения более или менее отличаются от этой модели, может потребоваться учитывать это влияние во время измерения. Для этой цели подходит параметр степени излучения, который является мерой способности организма испускать инфракрасное излучение. Черный излучатель имеет значение 1, которое является самым высоким уровнем излучения, который также не зависит от длины волны.

Масса молекулы впервые была экспериментально установлена для кислорода в опытах Перрена. В качестве единицы измерения массы веществ принята атомная единица массы (а.е.м.) равная одной двенадцатой части массы атома изотопа углерода . Масса атома углерода равна m с = 1,99·10 −26 кг . Таким образом, атомная единица массы m 0 = 1,66·10 −27 кг . Относительной атомной (молекулярной) массой называется отношение массы атома (молекулы) к единице атомной массы . В выбранной шкале относительная атомная масса углерода равна 12 а. е. м .

Напротив, уровень излучения реальных объектов измерения может иметь более или менее сильную зависимость от длины волны. Кроме того, возможны следующие параметры.

Состав материалаОксидный слой на поверхности.
Грубость поверхности.
Внешний вид поверхности.
Температура.
Степень поляризации.

Большое количество неметаллических веществ имеет высокую и относительно постоянную степень излучения, по крайней мере, в длинноволновом спектральном диапазоне, независимо от их текстуры поверхности. Это включает кожу человека, а также большинство минеральных строительных материалов и материалов для покрытия.

Количество вещества в системе СИ выражают в молях. Моль - количество вещества, в котором содержится столько же структурных единиц (атомов или молекул) сколько атомов содержится в 12 г изотопа углерода . Молярной массой M называется масса одного моля вещества, численно равная грамм: М = г/моль =10 −3 ·кг/моль.

Шкала Кельвина как абсолютная температура

Для существования самой низкой температуры, которая не может быть снижена, вы можете дать два разных объяснения. Соответственно, должна быть самая низкая температура, которая не может быть снижена. Тело имеет определенную внутреннюю энергию. Если теперь охлаждать тело, он удаляет из него энергию. Внутренняя энергия, т.е. полная энергия всех атомов тела, не может быть меньше нуля. Для температуры должен быть нижний предел.

В гастротермометре используется соотношение между температурой и объемом газа.
Чем ниже температура, тем меньше объем газа.
Однако объем газа не может стать нулевым или даже отрицательным.
Это можно определить экспериментально даже при попытке Гей-Люссака.

Точные эксперименты и соображения показали, что самая низкая достижимая температура равна \\.

Закон Авогадро утверждает, что в моле любого вещества содержится одинаковое число структурных единиц (молекул, или атомов, если речь идет об атомарном веществе, например инертном газе) - N A = 6,022·10 23 моль -1 - постоянная Авогадро .

Характер теплового движения зависит от агрегатного состояния вещества и определяется силами притяжения и отталкивания, действующими между молекулами (атомами, ионами). В большинстве газов при нормальном давлении силы притяжения между молекулами практически отсутствуют, ввиду удаленности молекул друг от друга на расстояния существенно превышающие радиус взаимодействия. В таких газах молекулы движутся поступательно - равномерно и прямолинейно, испытывая лишь упругие столкновения друг с другом или со стенками сосуда.

Чтобы избежать отрицательных температурных меток, была разработана шкала Кельвина. Этот масштаб является нулевой точкой в абсолютной нулевой точке. Температуры Кельвина также называются абсолютными температурами и обозначаются символом \\. Узел Кельвина сокращен \\.

Согласно вышеизложенному, \\ означает ту же температуру, что и \\. Примечание. По-видимому, освещающие объяснения существования самой низкой температуры не совсем правильны в смысле современной физики. Однако пока мы довольны этим. Температура связана с ощущением, которое мы испытываем при прикосновении к определенным объектам. Это ощущение позволяет классифицировать их на холодные объекты, например кубик льда и горячие предметы, например, чашку кипящего кофе. В этой главе мы углубимся в то, что понимается в физике по температуре.

Твердые тела (кристаллические и аморфные вещества) построены на взаимных контактах структурных элементов и характеризуются существенными силами притяжения между молекулами (атомами, ионами). Основным типом теплового движения в них является колебательное движение вокруг положений равновесия (для кристаллов - узлы кристаллической решетки).

Температура позволяет нам узнать уровень тепловой энергии, который имеет тело. Частицы, которые владеют телами, двигаются на определенную скорость, причина, по которой каждый рассчитывает определенную кинетическую энергию. Среднее значение указанной кинетической энергии непосредственно связано с температурой тела. Таким образом, при более высокой средней кинетической энергии частиц, более высокой температуре и более низкой средней кинетической энергии, более низкой температуре.

Температура - это скалярная величина, которая измеряет количество тепловой энергии, которое имеет тело. В случае газов их значение пропорционально средней кинетической энергии молекул, согласно выражению. Средняя кинетическая энергия молекул газа: это среднее значение кинетической энергии молекул газа.

Его единица измерения в Международной системе - это партия Кельвина в июле.
Его единица измерения в Международной системе - июль.

Заметим, что в отличие от других величин, таких как скорость или ускорение, температура не является механическим типом величины, а статистической.

Тепловое движение молекул жидкости является промежуточным: как и твердые тела, жидкости построены на взаимных контактах молекул (поэтому жидкости практически несжимаемы), которые, в основном, колеблются вокруг локального положения равновесия. Однако в жидкостях (в отличие от кристаллов) локальные положения равновесия могут со временем перемещаться.

Распределение скоростей частиц газа регулируется законом распределения Максвелла. На следующем рисунке вы можете получить качественное представление о том, какой эффект вызывает повышение температуры в молекулах газа. Для того же вещества, чем выше температура, тем выше скорость частиц, которые его составляют. Аналогичным образом, на каждом графике вы можете проверить, как чем выше температура, тем больше диапазон скоростей, который может достичь из-за распределения Максвелла. Например, на первом графике можно заметить, что большая часть частиц имеет низкие скорости и по мере повышения температуры концентрация скорости частиц становится все более и более растянутой.

Экспериментально установлено, что для каждой системы тел существует состояние теплового, или термодинамического равновесия , которого онасамопроизвольно достигает при фиксированных внешних условиях. В состоянии термодинамического равновесия все макроскопические параметры системы (давление, объем, плотность) неограниченно долго остаются постоянными и в системе отсутствуют потоки. Микроскопические процессы (например, движение молекул) в состоянии термодинамического равновесия не прекращаются.

С другой стороны, когда мы вставляем два тела в контакт, происходит обмен тепловой энергией: температура течет от температуры с самой высокой температурой до наименьшей. Если мы пройдем достаточно времени, обе температуры равны. Таким образом, когда мы касаемся тела с более низкой температурой, чем мы, у нас холодное чувство тепла, и если оно находится при более высокой температуре. Причина в том, что именно этот обмен тепловой энергии между нашим пальцем и рассматриваемым телом.

Температура является статистической величиной, поэтому мы не можем ее измерять напрямую. Чтобы измерить его, мы используем разные величины, которые отличаются от него, такие как высота столба ртути, электрическое сопротивление или объем и давление газа. Эти величины называются термометрическими величинами.

Температура - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия системы и являющаяся мерой кинетической энергии поступательного движения молекул (атомов) тела. Кинетическая энергия молекул не может быть меньше нуля, поэтому на такой шкале существует абсолютный предел, ниже которого температура быть не может. Температура, при которой прекращается хаотическое поступательное движение молекул, называется абсолютным нулем.

Для измерения температуры используются термометры. Термометр - это устройство, которое позволяет подключить некоторую термометрическую величину к температуре. Существуют различные типы термометров в зависимости от измеряемой физической величины и изменяется при изменении температуры. В приведенном ниже списке есть некоторые из основных. Выделено курсивом название термометра и краткое описание.

На основе замещения Газы Изменение объема: газовый термометр постоянного давления. Они очень точные и обычно используются для калибровки других термометров. Его коммерциализация и использование запрещены в некоторых странах, таких как Испания. Это связано с тем, что каждая пластина имеет разный коэффициент расширения и изменения температуры вызывают разные изменения в их длинах. Полупроводники - это материалы, которые ведут себя как проводники или изоляторы в зависимости от температуры, в которой они находятся. Генерируемая электродвижущая сила зависит от разницы температур между сварными швами. Инфракрасное излучение Инфракрасный термометр: горячие тела излучают тепло в виде электромагнитного излучения, захваченного этим типом термометров.

Объем газа изменяется с температурой.
Они очень точны и обычно используются для калибровки других термометров.
Смена давления: постоянный газовый термометр.
Давление газа изменяется с температурой.
Меркурийная колонка: Меркурийный термометр.
Высота столба ртути зависит от температуры.
Колонка цветного алкоголя: Алкогольный термометр.
Высота окрашенной колонны спирта зависит от температуры.
Изменение длины: биметаллический термометр.
Он состоит из двух пластин из разных металлов, жестко закрепленных.
Сборка изогнута пропорционально изменению температуры.
Сопротивление Полупроводник: Термистор.
Электрическое сопротивление платины изменяется линейно с температурой.
Термопары: это пара сращиваний двух проводников, проводящих разные металлы.
Одно из сращиваний поддерживается при постоянной заданной температуре.
Они основаны на изменении цвета, с которым горят горячие объекты.

Температура измеряется косвенно через термометрические величины.

Основой измерения температуры является зависимость какого-либо свойства тела (например, объема или электрического сопротивления) от температуры. На практике чаще всего встречаются термометры, в которых используется зависимость объема жидкости (спирт, ртуть) от температуры.

Температурная шкала Цельсия строится по двум реперным точкам: температуре таяния льда и температуре кипения воды, которым приписаны температуры t п. л. = 0º С и t к. в. = 100º С . Шкала температур, на которой температура отсчитывается от абсолютного нуля, а деления равны градусам шкалы Цельсия, называется абсолютной температурной шкалой , или шкалой Кельвина . Абсолютная температура Т измеряется в кельвинах (К ). Переход от шкалы Цельсия к шкале Кельвина осуществляется по простым формулам: t = Т - 273,15º С . Т = t +273,15 К .

Как мы увидим, мы будем использовать значения этих величин в некоторых фиксированных состояниях для калибровки термометров, тем самым создавая масштаб. Примерами этих фиксированных состояний являются замораживание или кипячение воды. Для измерения температуры существует три больших шкалы.

Кельвина, абсолютная шкала Кельвина

Давайте посмотрим на процесс по каждому конкретному масштабу.

Значение термометра 0 соответствует нормальной точке замерзания воды.
Значение термометра 100 соответствует нормальной температуре кипения воды.
Этот интервал делится на 100 равных частей.
Каждый из них называется градусом Цельсия.
Значение термометра 32 соответствует нормальной точке замерзания воды.
Значение термометра 212 соответствует нормальной температуре кипения воды.
Интервал делится на 180 равных частей.
Каждый из них называется оценкой по Фаренгейту.

Это шкала, используемая в Международной системе единиц.

Идеальный газ - физическая модель, предполагающая, что молекулы обладают пренебрежимо малым объемом по сравнению с объемом сосуда, между молекулами отсутствуют сила притяжения, при соударениях молекул между собой и со стенками сосуда имеет место абсолютно упругое взаимодействие.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории устанавливает связь макроскопического параметра (давления) с микроскопическими параметрами (средней кинетической энергией и концентрацией молекул). Средняя кинетическая энергия молекул и давление связаны соотношением . Т.к. , еще одна форма записи основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов имеет вид

Здесь k - постоянная Больцмана, k=1,38·10 −23 Дж/ºС. Множитель представляет собой соотношение между джоулем (единицей измерения энергии) и градусом (единицей измерения температуры).

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов теоретически обосновывает закон Дальтона: давление смеси газов равно сумме парциальных давлений. Парциальным давлением называется давление, которое оказывал бы газ, входящий в состав смеси, если бы он был единственным содержанием того же сосуда.

Любая однородная термодинамическая система в состоянии теплового равновесия характеризуется уравнением состояния , связывающим давление объем и абсолютную температуру системы p = f(V,T) . Для идеального газа таким уравнением является уравнение Клапейрона - Менделеева , полученное путем обобщение экспериментально установленных законов Бойля - Мариотта, Гей-Люссака и Шарля.

Коэффициент R = 8,31 Дж/(моль·К) называется универсальной газовой постоянной .

Процессы, протекающие при неизменном значении одного из термодинамических параметров системы (давлении, температуре, объеме) называются изопроцессами . Изменение параметров системы для изопроцессов подчиняется законам

Бойля-Мариотта:	(изотермический проц. T = const ):
Гей-Люссака:	(изобарный процесс p = const ):	или V/T= const
Шарля:	(изохорный процесс V = const ):	или p/T= const

Важно отметить, что в указанных изопроцессах масса идеального газа не меняется.

Абсолютный температурный нуль соответствует 273,15 градусам Цельсия ниже нуля, 459,67 ниже нуля по Фаренгейту. Для температурной шкалы Кельвина такая температура сама по себе является нулевой отметкой.

Сущность абсолютного нуля температуры

Понятие абсолютного нуля исходит из самой сущности температуры. Любое тело обладает энергией, которую отдает во внешнюю среду в ходе теплопередачи. При этом снижается температура тела, т.е. энергии остается меньше. Теоретически этот процесс может продолжаться до тех пор, пока количество энергии не достигнет такого минимума, при котором отдавать ее тело уже не сможет.
Отдаленное предвестие такой идеи можно найти уже у М.В.Ломоносова. Великий русский ученый объяснял теплоту «коловратным» движением. Следовательно, предельная степень охлаждения – это полная остановка такого движения.

По современным представлениям, абсолютный нуль температуры – это такое состояние вещества, при котором молекулы наименьшим возможным уровнем энергии. При меньшем количестве энергии, т.е. при более низкой температуре ни одно физическое тело существовать не может.

Теория и практика

Абсолютный нуль температуры – понятие теоретическое, достичь его на практике невозможно в принципе, даже в условиях научных лабораторий с самой сложной аппаратурой. Но ученым удается охлаждать вещество до очень низких температур, которые близки к абсолютному нулю.

При таких температурах вещества приобретают удивительные свойства, которых они не могут иметь при обычных обстоятельствах. Ртуть, которую называют «живым серебром» из-за ее пребывания в состоянии, близком к жидкому, при такой температуре становится твердой – до такой степени, что ею можно забивать гвозди. Некоторые металлы становятся хрупкими, как стекло. Такой же твердой и хрупкой становится резина. Если при температуре, близкой к абсолютному нулю, ударить молотком какой-нибудь резиновый предмет, он разобьется, как стеклянный.

Такое изменение свойств тоже связано с природой теплоты. Чем выше температура физического тела, тем интенсивнее и хаотичнее двигаются молекулы. По мере снижения температуры движение становится менее интенсивным, а структура – более упорядоченной. Так газ становится жидкостью, а жидкость твердым телом. Предельный уровень упорядоченности – кристаллическая структура. При сверхнизких температурах ее приобретают даже такие вещества, которые в обычном состоянии остаются аморфными, например, резина.

Интересные явления происходят и с металлами. Атомы кристаллической решетки колеблются с меньше амплитудой, рассеяние электронов уменьшается, поэтому падает электрическое сопротивление. Металл приобретает сверхпроводимость, практическое применение которой представляется весьма заманчивым, хотя и труднодостижимым.

Тело – это одно из основных понятий в физике, под которым подразумевается форма существования материи или вещества. Это материальный объект, который характеризуется объемом и массой, иногда также другими параметрами. Физическое тело явно отделено от других тел границей. Существует несколько особенных видов физических тел, не следует понимать их перечисление как классификацию.

В механике под физическим телом чаще всего понимается материальная точка. Это некая абстракция, главным свойством которой является факт того, что реальными размерами тела для решения конкретной задачи можно пренебречь. Иными словами, материальная точка – это вполне конкретное физическое тело, которое имеет размеры, форму и прочие подобные характеристики, но они совершенно не важны для того, чтобы решить имеющуюся задачу. К примеру, если нужно посчитать среднюю скорость объекта на определенном участке пути, с его длиной при решении задачи можно совершенно не считаться. Еще один тип физических тел, рассматриваемый механикой – это абсолютно твердое тело. Механика такого тела точно такая же, как и механика материальной точки, но дополнительно обладает и другими свойствами. Абсолютно твердое тело состоит из материальных точек, но ни расстояние между ними, ни распределение массы не меняются под нагрузками, которым подвергается тело. Это означает, что оно не может быть деформировано. Чтобы определить положение абсолютно твердого тела, достаточно задать привязанную к нему систему координат, обычно декартову. В большинстве случаев центр массы является также и центром системы координат. В природе абсолютно твердого тела не существует, но для решения многих задач такая абстракция очень удобна, хотя в релятивистской механике она не рассматривается, так как при движениях, скорость которых сравнима со скоростью света, эта модель демонстрирует внутренние противоречия. Противоположностью абсолютно твердому телу является деформируемое тело, частицы которого могут смещаться друг относительно друга. Существуют особенные типы физических тел и в других отраслях физики. Например, в термодинамике введено понятие абсолютно черного тела. Это идеальная модель, такое физическое тело, которое поглощает абсолютно все электромагнитное излучение, попадающее на него. При этом, само оно вполне может продуцировать электромагнитное излучение и иметь любой цвет. Пример объекта, который наиболее приближен по свойствам к абсолютно черному телу – это Солнце. Если взять вещества, распространенные за Земле, то можно вспомнить о саже, которая поглощает 99% излучения, попадающего на нее, кроме инфракрасного, с поглощением которого это вещество справляется гораздо хуже.

Видео по теме

Источники:

Ливанова А. Низкие температуры, абсолютный нуль и квантовая механика