Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. И так на прошлой лекции мы с вами выяснили, что температура - это фактически тоже самое, что и кинетическая энергия молекул. Это не просто величины, которые связаны друг с другом, т.е когда увеличивается температура, то тогда увеличивается и средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул, а можно считать, что это одно и тоже. Точно так же как, например, массу можно измерять в каратах, можно измерять в килограммах, можно измерять в пудах, точно так же и температуру можно измерять в джоулях, а можно измерять в каких-то единицах температуры, которые раньше называли градусами Кельвина, а теперь, просто, называют Кельвинами. Кельвин - это единица температурной шкалы, которая жестко привязана к энергии. К средне кинетической энергии поступательного движения молекул. Но нас интересует как новая пока что для нас шкала связана со старыми добрыми температурными шкалами, которые придумали Цельсий, Фаренгейт и Реомюр. И на этой лекции мы такую связь между шкалами Кельвина и Цельсия установим. И давайте начнем вот с чего. Давайте вспомним о связи кинетической энергии и давления с абсолютной температурой.
Стоит отметить, то что те формулы, которые мы привели выше мы привели в рамках так называемой "классической физики". Согласно классической физики при абсолютном нуле температуры полностью замирает движение молекул, а квантовая механика в свою очередь доказывает, то что движение молекул полностью не замирает даже при абсолютном нуле. Эти вещи связаны с так называемым соотношением неопределенности и оказывается, что если бы все молекулы замерли, т.е мы точно знаем где они находятся, то мы ничего бы не могли сказать об их скорости и наоборот, если бы нам была точно известна скорость молекул, например, молекула движется где-то прямолинейно и равномерно в пустоте, то мы ничего бы не могли сказать о том, где она находится. Это очень необычные вещи, которые рассматриваются в квантовой механике, но для нас пока что это преждевременно...И так абсолютная температура напрямую связана со средней кинетической энергией и при условии, что если у нас есть идеальный газ, то выполняется соотношение связывающее давление с абсолютной температурой. И последним соотношением мы сейчас с вами попробуем воспользоваться, что бы установить связь между шкалой Цельсия и абсолютной температурной шкалой, где температура измеряется в Кельвинах. Мы с вами помним как Цельсий "строил" свою температурную шкалу. Он поместил жидкостный термометр, наполненный какой-то жидкостью в тающий лед и в кипящую при атмосферном давлении воду. И два этих значения температуры были крайними в стоградусном интервале, который он разбил поровну на одинаковые части и каждая из них называется один градус Цельсия. Но при этом Цельсий негласно предполагал, что при увеличении температуры, например, на каждые 10 градусов объем при этом увеличивается на одну и ту же величину, т.е что работает формула объемного расширения, а ведь в широком диапазоне температур она может не работать. Есть жидкости, которые вообще не подчиняются этому закону. Например, вода от 4 градусов и выше при такой температуре и выше увеличивается в объеме, а от 4 градусов Цельсия до нуля сжимается и только потом она начинает расширяться. И водяной термометр, таким образом, сделать нельзя. Не исключено, что термометр в котором жидкостью является спирт, достаточно распространенные термометры, или ртуть или есть еще такое органическое соединение, которое называется пентан, которое так же используется в термометрах и все эти жидкости обладают нелинейностью связи между объемом и температурой. Поэтому, если мы хотим строго построить шкалу, нам нужно взять такое тело, для которого линейно бы от температуры что-то бы зависело. И таким телом может быть идеальный газ. Т.е тело сделанное из идеального газа. Если газ идеальный, то работает соотношение связывающее температуру и давление. Это означает, что если мы зафиксируем объем идеального газа и не будет добавлять или выпускать оттуда молекул, т.е их количество будет постоянно, постоянная Больцмана тоже будет постоянна и тогда давление будет прямо пропорционально температуре. Т.е следя за изменением давления мы можем фактически контролировать изменение температуры. Но для этого нам надо "раздобыть" идеальный газ. Ну что ж на самом деле его не нужно искать и оказывается, что при нормальных условиях (атмосферное давление и температура равны нулю) воздух в помещении по своим свойствам близок к идеальному газу. А если взять газ состоящий из более мелких молекул, например, гелий или водород. То его свойства еще ближе к свойствам идеального газа. И используя реальный гелий или реальный водород мы можем построить термометр, который так и называется газовый термометр.
А как же все-таки привязать шкалу Цельсия к шкале Кельвина? И для этого необходима дополнительная договоренность. и договоренность эта состоит в следующем...для удобства приняли, что если повысить температуру на 1 градус Цельсия, то это будет означать, то что вы повысили температуру на 1 Кельвин. Или другими словами шкала Кельвина и шкала Цельсия имеют одинаковые размеры градуса, но, просто, одна шкала сдвинута относительно другой, хотя размеры каждого градуса и градуса Цельсия и градуса Кельвина одинаковы.
И так если мы хотим узнать температуру в шкале Кельвина, а нам известна температура в шкале Кельвина, то мы, просто, должны к температуре в градусах Цельсия должны прибавить величину 273,15К.
А теперь давайте изобразим обе температурные шкалы Кельвина и Цельсия для наглядности.
И теперь для закрепления материала давайте порешаем задачи... И так первая задача на определение температуры до которой необходимо нагреть воздух для достижения увеличения средней кинетической энергии на заданную величину.
Следующая задача на определение концентрации молекул в воздухе при нормальных условиях.
И последняя задача на оценку среднего расстояния между молекулами воздуха при заданной температуре и во сколько раз это расстояние больше размеров самих молекул.
На этом мы эту лекцию закончим.