"Физика. Молекулярная физика. Термодинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Абсолютная температура показывает тепловое состояние тела и связана со средней кинетической энергией движения его частиц. Для неё используют шкалу Кельвина, начинающуюся с абсолютного нуля — предельно низкой температуры 0 К. Эта шкала необходима в газовых законах и уравнении состояния идеального газа, потому что расчёты должны опираться на естественный температурный предел, а не на условный нуль шкалы Цельсия.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Абсолютная температура — физическая величина, характеризующая тепловое состояние тела и связанная со средней кинетической энергией хаотического движения его частиц. Её обозначают буквой T и измеряют в кельвинах. Чем больше T, тем в среднем энергичнее движутся частицы идеального газа.
Шкала Кельвина — температурная шкала, начинающаяся от абсолютного нуля; её деления по размеру равны делениям шкалы Цельсия. Она нужна для количественных расчётов, в которых температура должна отсчитываться от естественного предела охлаждения. Значение температуры по этой шкале записывают без значка градуса: 300 К.
Кельвин — единица абсолютной температуры, обозначаемая К. Один кельвин равен одному градусу Цельсия по величине температурного интервала. Поэтому изменение температуры на 15 К равно изменению на 15 °C, хотя сами температуры в двух шкалах имеют разные числовые значения.
Абсолютный нуль — предельно низкая температура 0 К, соответствующая −273,15 °C. Это начало шкалы Кельвина и нижний предел температуры в обычной термодинамике. При приближении к нему тепловое движение частиц становится минимальным, поэтому ниже него абсолютную температуру не отсчитывают.
Шкала Цельсия удобна в быту, но её нуль выбран по свойствам воды и не является естественным пределом охлаждения. Например, отрицательная температура по Цельсию просто означает, что тело холоднее 0 °C, но не показывает, насколько оно близко к полному пределу охлаждения. Для законов молекулярной физики нужна шкала, в которой нулю соответствует минимально возможная абсолютная температура.
Абсолютный нуль обнаружили, исследуя газ при охлаждении. При постоянном объёме давление газа уменьшается почти линейно с температурой по Цельсию; если продолжить эту зависимость, давление стало бы нулевым примерно при −273,15 °C. При постоянном давлении аналогично стремился бы к нулю объём газа. Реальный газ нельзя таким способом охладить до этой точки, но закономерность позволяет установить её положение.
Шкала Кельвина и шкала Цельсия имеют одинаковый размер деления, потому что 1 °C изменения соответствует 1 К изменения. Отличается только начало отсчёта: нулю Кельвина соответствует −273,15 °C. Поэтому связь шкал записывают так: T = t + 273,15, где t — температура в градусах Цельсия, а T — в кельвинах. Для обратного перевода используют t = T − 273,15.
Абсолютная температура не может быть отрицательной в обычных термодинамических системах, поскольку 0 К уже является нижним пределом. Значение 0 К означает предельное состояние, в котором средняя тепловая энергия частиц идеального газа стремится к минимальному значению. В молекулярно-кинетической теории средняя кинетическая энергия поступательного движения частиц идеального газа прямо пропорциональна T. Поэтому температура входит в уравнение состояния pV = νRT, где ν — количество вещества, а R — универсальная газовая постоянная.
| Характеристика | Температура t, °C | Абсолютная температура T, К |
|---|---|---|
| Начало шкалы | Условная точка 0 °C, связанная с плавлением льда | Абсолютный нуль, 0 К |
| Связь между шкалами | t = T − 273,15 | T = t + 273,15 |
| Единица температурного интервала | Градус Цельсия, °C | Кельвин, К |
| Значение абсолютного нуля | −273,15 °C | 0 К |
| Возможность отрицательных значений | Да, ниже 0 °C | Нет в обычных термодинамических системах |
| Связь со средней кинетической энергией частиц | Не задаётся простой прямой пропорциональностью | Средняя кинетическая энергия пропорциональна T |
Таблица помогает выбрать правильную шкалу для конкретной задачи. Для перевода отдельных температур используйте формулы связи, а для температурных интервалов числовые значения в °C и К одинаковы. В газовых законах всегда проверяйте, что вместо t подставлено T в кельвинах.
Условие: переведите температуру −20 °C в кельвины, а температуру 300 К — в градусы Цельсия. Здесь переводятся именно значения температуры, поэтому нужно учесть смещение начала шкал. Размер деления при этом не меняется.
Ответ: −20 °C = 253,15 К; 300 К = 26,85 °C.
Условие: газ нагревают при постоянном объёме от 27 °C до 127 °C. Нужно найти, во сколько раз изменится давление. Закон Гей-Люссака связывает давление с абсолютной температурой: p/T = const, поэтому сначала переводим обе температуры.
Ответ: давление увеличится примерно в 1,33 раза. Расчёт через 27 и 127 дал бы неверный результат, потому что это значения не от абсолютного нуля.
Условие: при 15 °C объём газа равен 2,0 л, а давление постоянно; газ нагревают до 75 °C. По закону Шарля отношение V/T остаётся постоянным. Поэтому сравниваем не 75 и 15, а соответствующие им абсолютные температуры.
Ответ: объём станет примерно 2,42 л.
Температуру в градусах Цельсия подставляют в газовые законы. Так происходит потому, что шкалы имеют одинаковый размер деления. Перед расчётом проверьте, переведено ли каждое значение в кельвины.
Считают, что 0 °C соответствует 0 К. Нуль Цельсия выбран условно и соответствует 273,15 К. Самопроверка проста: к температуре в °C нужно прибавить 273,15.
Полагают, что 20 °C и 20 К различаются по величине интервала. Числа описывают разные точки шкал, но изменение на 20 °C равно изменению на 20 К. Для интервалов не прибавляют 273,15.
Записывают отрицательную абсолютную температуру при t < 0 °C. Отрицательным бывает значение по Цельсию, тогда как температура в кельвинах остаётся положительной, пока тело не достигло предельного значения 0 К. Проверьте результат переводом T = t + 273,15.
До изучения темы нужны шкала Цельсия, понятие температуры и различие между температурой и температурным интервалом. Абсолютная температура используется вместе с уравнением состояния идеального газа и газовыми законами, поэтому важно уметь работать с ними. Она также нужна в молекулярно-кинетической теории, термодинамике, расчётах газовых процессов и устройстве термометров.
Почему в газовых законах нельзя использовать температуру в градусах Цельсия?
Нуль шкалы Цельсия выбран условно и не соответствует отсутствию теплового движения. Газовые законы связывают давление и объём с абсолютной температурой, поэтому в формулах используют кельвины: T = t + 273,15.
Чем отличается кельвин от градуса Цельсия?
Кельвин — единица абсолютной температуры, отсчитываемой от абсолютного нуля. По величине один кельвин равен одному градусу Цельсия, но начала шкал смещены на 273,15.
Почему температура 0 °C не является абсолютным нулём?
Температура 0 °C — это температура плавления льда при определённых условиях, то есть условная точка шкалы Цельсия. Ей соответствует абсолютная температура 273,15 К, тогда как абсолютный нуль равен 0 К и −273,15 °C.
Можно ли получить температуру ниже 0 К?
В обычных термодинамических системах отрицательная абсолютная температура невозможна: 0 К является нижним пределом. Отрицательные значения могут быть только на шкале Цельсия, когда температура ниже 0 °C.
Почему при одинаковом нагревании на 10 °C и на 10 К изменение температуры считается одинаковым?
Шкалы Цельсия и Кельвина имеют одинаковый размер деления. Поэтому увеличение температуры на 10 °C означает такое же изменение абсолютной температуры — на 10 К, хотя сами исходные значения в шкалах различаются.
§ 3.7. Абсолютная температура
