65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Тут пытливый читатель может задать вопрос: хорошо, мы разобрались, как измерить температуру, и даже узнали, какие существуют шкалы температур. Но как это нас продвинуло к пониманию того, что такое температура? Если оставаться в рамках эмпирических исследований, то мы должны сказать, что температура – это физическая величина, которую измеряет термометр. Но вряд ли это определение удовлетворит пытливого читателя. Поэтому для более глубокого понимания температуры нам нужно ввести еще одно понятие – понятие термодинамического равновесия.
Давайте поместим несколько разных предметов (холодных, теплых, горячих) в теплоизолированный ящик, чтобы они не могли обмениваться теплом с окружающей средой, а только друг с другом, и оставим их на некоторое время. Постепенно горячие предметы будут остывать, а холодные, наоборот, нагреваться. В конечном итоге абсолютно все предметы в нашем ящике окажутся нагреты одинаково. И если эту систему больше не нагревать и не охлаждать, а оставить как есть, то предметы больше не будут ни охлаждаться, ни нагреваться сколь угодно долго. Это и есть состояние термодинамического равновесия. А физическая величина, которая выравнивается у всех тел при переходе к этому равновесию, называется температурой. Так будет происходить всегда, вне зависимости от количества тел, их начальных температур и материалов, из которых они состоят. Любые тела, изолированные от всех внешних воздействий, через некоторое время придут в состояние термодинамического равновесия. В этом заключается суть нулевого начала термодинамики[31].
Как вам такое определение температуры? Вроде интуитивно и так было понятно, что после обмена теплом все горячие предметы остынут, а холодные нагреются, у всех тел температура станет одинаковой. Но этого определения оказывается вполне достаточно для построения классической термодинамики и вывода ее уравнений, очень хорошо описывающих многие наблюдаемые явления.
Однако если мы хотим еще глубже продвинуться к пониманию сути понятия температуры, нам придется привлечь более фундаментальные представления об устройстве материи. Так мы переходим в область молекулярно-кинетической теории. В ее основе лежит идея о строении вещества из мельчайших частичек (молекул). Эти микроскопические частички невозможно увидеть (они слишком малы), но, соединяясь друг с другом, они формируют макроскопические тела и предметы, с которыми мы имеем дело в обычной жизни.
При этом сами молекулы никогда не стоят на месте, а постоянно движутся: в газах, где между молекулами много свободного пространства, они хаотично летают; в жидкостях, где свободного места уже не так много, молекулы перескакивают с места на место; а в твердых телах, где «упаковка» молекул очень плотная, они могут только колебаться вокруг своего фиксированного положения. Какие-то из молекул могут двигаться быстрее, а какие-то – медленнее (все движутся по-разному, ведь их движение хаотично). Поэтому скорость какой-то одной молекулы не является показательной. А вот если мы возьмем среднее значение по всем молекулам, из которых состоит тело, то получим более точную картину. Так вот температурой мы можем назвать среднюю кинетическую энергию (энергию движения) всех молекул, из которых состоит тело[32]. Получается, что любой градусник – это просто спидометр для молекул, ведь он измеряет то, насколько быстро они движутся.
Давайте посмотрим, как теперь будет выглядеть переход в состояние термодинамического равновесия. Возьмем полстакана холодной воды (она холодная, потому что ее молекулы движутся медленно) и полстакана горячей воды (она горячая, потому что ее молекулы движутся быстро). При этом молекулы горячей и холодной воды ничем не отличаются, кроме скорости своего движения. Что произойдет с молекулами, когда мы смешаем горячую воду с холодной? Быстрые молекулы горячей воды начнут сталкиваться с медленными молекулами холодной воды. В этих столкновениях быстрые молекулы будут передавать часть своей кинетической энергии медленным и немного снижать свою скорость. А медленные молекулы – наоборот, будут получать дополнительную энергию и немного разгоняться. В итоге через некоторое время скорости всех молекул выровняются, не будет уже слишком много очень быстрых молекул или очень медленных. Это и будет состоянием термодинамического равновесия. А соответствующая температура, пропорциональная средней кинетической энергии молекул, будет равновесной и уже не изменится с течением времени. Потому что больше энергии взяться неоткуда и она ниоткуда в систему не поступает (разумеется, при условии, что наша система замкнута).
Вопрос 21. Какая в природе самая низкая и самая высокая температура?
Теперь, когда мы поняли, что такое температура, мы можем порассуждать о том, какие значения она может принимать. Возможно ли охладить какое-то тело до минус ста градусов? А до минус тысячи? Если температура – это средняя кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, то при понижении температуры молекулы должны замедляться. Поэтому, продолжая тормозить молекулы, мы будем уменьшать температуру тела. И в какой-то момент может так случиться, что все молекулы остановятся. Это состояние и будет соответствовать минимально возможной температуре или абсолютному нулю. Конечно же, это не ноль по шкале Цельсия и даже не ноль по Фаренгейту. Эта температура гораздо ниже. Ее значение примерно –273 °C. При этой температуре прекращается всё тепловое движение, молекулы останавливаются[33]. Это значение принято за ноль в шкале Кельвина. Поэтому точка замерзания воды по шкале Кельвина будет 273 К, а точка кипения воды 373 К.
Давайте теперь будем увеличивать температуру, тогда молекулы вещества станут двигаться все быстрее и быстрее, а их кинетические энергии также будут возрастать. Так мы можем дойти до 100 °C, 200 °C и даже 1 000 °C. Твердые тела при повышении температуры начнут плавиться, превращаясь в жидкости. Эти жидкости при дальнейшем нагревании закипят и начнут испаряться. Например, температура плавления железа – 1 538 °C, а вольфрама – 3 422 °C. Получается, что в сторону увеличения температуры мы можем уйти гораздо дальше, чем в сторону охлаждения. Но что будет, если продолжать нагревать вещество, или (как мы теперь понимаем) продолжать разгонять его молекулы? В своем хаотическом движении они всё сильнее будут сталкиваться друг с другом, так что при определенных скоростях начнет разрушаться структура этих молекул, они распадутся на атомы. При дальнейшем увеличении температуры атомы в столкновениях тоже будут разрушаться, от них начнут отваливаться электроны. Вся эта «каша» из атомов, электронов и ионов (т. е. атомов, от которых оторвали один или
