Температурная шкала. Абсолютная шкала температур
Температурная шкала
Во всех приборах, которые были придуманы в 18 веке, измерение температуры сводилось к измерению длины столбика воды, спирта или ртути. Термометры работали только в ограниченном интервале температур. Наполняющие их вещества замерзали и кипели, и этими термометрами нельзя было измерять очень низкие или очень высокие температуры.
Шкала Цельсия точно устанавливала положение двух точек – 0 и 100 градусов, расстояние между которыми на шкале было разбито на равные части. Но роль каждого деления оставалась неопределённой. Необходимо было ещё понять, что происходит в теле, когда ртуть в термометре поднимается на один градус. Проще всего было бы предположить, что при этом энергия тела увеличивается на одну и ту же величину. Такая величина, отнесённая к единице массы тела, называется удельной теплоёмкостью.
Абсолютная шкала температур
Единица температуры возникла случайно – поставили число 100 в точке кипения воды. Этот акт имел важные последствия: в законе Клапейрона – Клаузиуса появилась новая газовая постоянная R=8,3157 джоуль/градус. Такое число возникло только потому, что величина градуса была введена очень давно и все изменения, происходящие с газами, относили по привычки к довольно случайно выбранной шкале температур. Было бы удобнее сейчас изменить определение градуса и «привязать» его к уравнению идеальных газов. Для этого надо просто уменьшить величину градуса в 8,3157 раза и считать, что температура в такой «идеально-газовой» шкале:
О=8,3157Т.
Открытие Лорда Кельвина
Вопросом о смысле температуры заинтересовался Томсон (в последствии лорд Кельвин), который в 1848 г. Обнаружил, что из теоремы Карно можно сделать простой, но очень важный вывод. Кельвин заметил, что если работа цикла Карно зависит только от температур нагревателя и холодильника, то это позволяет установить новую температурную шкалу которая не зависит от свойств рабочего тела.
Цикл Карно, если его можно провести между двумя телами позволяет определить отношение температур этих двух тел. Шкала температур определённая таким образом называется абсолютной шкалой температур.
Чтобы сама абсолютная температура имела определённое значение, надо выбрать какое-то число для одной точки новой абсолютной шкалы: одно численное значение температуры должно быть задано произвольно. После этого все остальные значения определяются в принципе с помощью цикла Карно.
К сожалению при всей красоте теоретического построения шкалы Кельвина, практически реализовать цикл Карно очень трудно. Трудно реализовать обратимый цикл, трудно избавиться от потерь.
Реальная шкала температур
В течении многих лет для температурной шкалы выбиралось две точки – температура плавления льда и температура кипения воды – и расстояние между ними делилось на 100 частей, каждая из которой считалась градусом. Такая шкала с двумя опорными точками была принята во всём мире.
Но эта шкала имела, однако, большой недостаток с точки зрения точности измерений. Для неё надо было уметь точно воспроизводить как условия плавления льда, так и условия кипения воды. Проще было обойтись одной опорной точкой, например точкой плавления льда, и измерять температуру по отношению давлений, связанных с отношением температур уравнением состояния.