Для того чтобы найти более совершенный способ определения температуры, не зависящий о конкретных физических свойств рабочего тела термометра, нужно знать такую величину, которая была бы одинаковой для любых тел, находящихся в состоянии теплового равновесия.
Исследования свойств газов показали, что для любых газов, находящихся в состоянии теплового равновесия, отношение произведения давления на его объем к числу молекул оказывается одинаковым:
Этот опытный факт позволяет принять величину Θ в качестве естественной меры температуры. Так как n=N/V (n- число молекул в единице объема), то с учётом основного уравнения молекулярнокинетической теории получим:
Отсюда следует, что средняя кинетическая энергия молекул любых газов, находящихся в тепловом равновесии, одинакова. Величина Θ равна 2/3 средней кинетической энергии беспорядочного теплового движения молекул и измеряется в Дж.
В физике температуру обычно выражают в градусах, принимая, что Т в градусах и величина Θ связаны отношением:
где k -коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единицы температуры.
Отсюда получаем:
Эта зависимость показывает, что имеется возможность выбрать температурную шкалу, которая не зависит от природы газа, используемого в качестве рабочего тела.
Практически измерение температуры на основании уравнения (4) можно осуществить с помощью газового термометра. Устройство его таково: в сосуде постоянного объема находится газ, чье количество остаётся неизменным. При постоянных значениях объема V и числа молекул N давление газа, измеряемое манометром, может служить мерой температуры газа, а значит, и любого тела, с которым газ находится в тепловом равновесии.(рис.1)
Шкала измерения температуры в соответствии с уравнением(4) называется абсолютной шкалой. Её предложил английский физик Уильям Кельвин (1824-1907), поэтому шкалу называют также шкалой Кельвина.
До введения абсолютной шкалы температуры на практике широкое распространение получила шкала измерения температуры по Цельсию, или шкала Цельсия. Поэтому единица температуры по абсолютной шкале, названная кельвиной (К), выбрана равной одному градусу по шкале Цельсия:
Величина Т в равенстве (4) называется абсолютной температурой.
В левой части равенства (4) величины N, V могут иметь только положительные значения, а р кроме положительных значений может ещё равняться нулю. Поэтому абсолютная температура может быть только положительной или равной нулю. Температуру, при которой давление идеального газа при постоянном объеме равно нулю, называют абсолютном нуле температуры.
Иначе говоря, абсолютный ноль температуры может быть достигнут лишь тогда, когда полностью прекращается поступательное движение молекул.
В настоящее время методами магнитного охлаждения получены очень низкие, близкие к абсолютному нулю температуры - в несколько милликельвинов, а также очень высокие - в миллионы кельвинов (в термоядерной плазме).
Входящий в уравнение (4) коэффициент пропорциональности k называется постоянной Больцмана - по имени определившего эту постоянную австрийского физика Людвига Больцмана (1844-1906). Найдём её значение по известным значениям давления и объема газа с известным числом молекул N при двух температурах