Предыдущий урок: Физика для чайников. Урок 12. Термодинамика
Все мы понимаем, что значит, например, выражение «температура на улице 30 градусов Целься». Но если серьезно задуматься над понятием температуры, то не так-то все понятно. Почему если температура воздуха тридцать градусов – это жарко, а точно такая же температура воды – это так себе, едва теплая вода, а для кого-то, может быть, покажется и холодная. А что вообще означает один градус? Что показывает такая величина, как температура?
На самом деле, такой же вопрос можно задать и про другие величины. Что такое один метр, одна секунда, один килограмма. Ученые ответили на этот вопрос, введя эталоны. Например эталон секунды - это интервал времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между определенными уровнями сверхтонкой структуры основного состояния в атомах цезия-133. Эталон метра – это специальная такая «линейка» длиной равно (насколько это возможно) один метр. Этот эталон храниться в Парижской палате мер и весов в стеклянной банке под вакуумом.
А как насчет температуры? Есть ли эталон градуса? Давайте подумаем. Что можно взять за основу? Точка кипения воды? Но она зависит от внешнего давления и еще от разных других факторов. Конечно, можно взять за основу температуру кипения чистой воды без примесей при стандартном атмосферном давлении. Но что это даст? На шкале у нас будут только два деления: до точки кипения и после. Конечно, можно добавить температур плавления льда, точку замерзания кислорода и так далее. Но кто даст гарантию, что это будет линейная шкала. Да и как мы будем измерять температуру такой шкалой? Прикладывать нагретое тело к воде, что бы определить, не закипит ли она, не начнет ли плавится железо или замерзать воздух? Согласитесь, маразм. Вряд ли будет реально воспользоваться такой шкалой в большинстве ситуаций, когда нам надо померять температуру.
Но как тогда быть? Тут, вы все наверное, вспомнили обычный медицинский градусник или уличный термометр. Конечно, сейчас все чаще пользуются электронным термометром. Но, термометры, где температуру показывает столбик жидкости в трубочке, еще применяют. Здесь для измерения температуры используют так называемый закон теплового расширения тел:
Здесь треугольничек (он называется «дельта») перед L и t обозначает изменение. Буковка, похожая на a (альфа) – это коэффициент теплового расширения, L – длина. Таким образом, длина изменится пропорционально изменению температуры. Кстати, теперь, вы понимаете, почему между рельсами на железной дороге оставляют зазор:
Летом, когда жарко, рельсы удлиняться!
Но на самом деле, линейное расширение тел – это лишь косвенный способ измерить температуру, точно так же как, например, изменение электрических характеристик проводника при изменении температуры, регистрация теплового излучения и так далее. Так что это вообще ни о чем нам не говорит и нисколько не приближает к понятию того, что такое температура.
Обратимся к классическим определением температуры.
Определение из статистической физики. Температура это производная от энергии системы по ее энтропии и выражается формулой:
Здесь E – это энергия, S – энтропия. Буковка d обозначает дифференциал, то есть, бесконечно малое приращение. Если сказать простыми словами, то температура это скорость изменения энергии в зависимости от энтропии. Но тут, согласитесь, еще более непонятно. Одно понятие (температура) выражено через другое, еще более «мозговзрывательное» понятие – энтропию.
Постараюсь перевести. Энтропия – это мера хаоса. Если у нас хаос увеличивается немного, но при этом энергия системы резко возрастает, то это значит, что температура высокая. Напротив, если большое изменение хаоса связано с небольшим изменением энергии – то значит, температура низкая. Грубо говоря (очень грубо и утрированно), большая энергия при низком беспорядке – это значит высокая температура. Низкая энергия при большом беспорядке – это низкая температура.
Определение через работу идеального газа. Если мы будем нагревать сосуд с газом, то газ будет стремиться расширятся, отчего давление на стенки сосуда возрастут. Но если сосуд заткнуть поршнем, то расширяющийся газ будет этот поршень толкать, тем самым совершая работу. Например, можно заставить поршень вращать колесную пару паровоза. Стоит заметить, что толкая поршень, газ остывает. Его температура понижается, так как часть кинетической энергии его молекул передаётся поршню. Таким образом, мы можем выразить температуру через работу газа, который расширяется при нагревании. Но тут будет много букв, поэтому я расскажу об этом на следующем уроке.
Следующий урок: Физика для чайников. Урок 14. Уравнение состояния идеального газа