1.1. Температура

Молекулы газов и жидкостей, находятся в постоянном, беспорядочном движении. О таком движении говорят как о тепловом. В этом движении суть всех тепловых процессов. Характерным примеров такого беспорядочного движения является Броуновское движение взвешенных в жидкости мелких пылинок, которое можно наблюдать через микроскоп. Хаотичность движения таких, по сравнению с молекулами, макрочастиц вызвано нескомпенсированностью по ним ударов молекул, движение которых само хаотично. Если два тела привести в соприкосновение, то их молекулы будут взаимодействовать друг с другом, будет происходить обмен энергией. Тело, которое при этом теряет энергию, называют более нагретым, а которое приобретает – менее нагретым. Такой переход энергии будет до тех пор, прока не установится тепловое равновесие, пока тела не станут одинаково нагретыми.

Для характеристики степени нагретости тел служит понятие «температура». Физически определение температуры основывается на величине, которая характеризует тепловое состояние тела и которая была бы всегда одинакова у двух тел, находящихся в тепловом равновесии. Оказывается, что таким замечательным свойством обладает средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул. Поэтому, в качестве мерила температуры выбирается эта величина. Принято, температурой считать от этой величины:

,

здесь - масса молекулы, - скорость молекулы, угловые скобки обозначают усреднение по всем энергиям частиц в некоторый фиксированный момент времени, или усреднение по времени для одной частицы, что эквивалентно.

В соответствии с таким определением температура имеет размерность энергии. Однако, такая единица измерений неудобна. Кроме того, для измерения температуры нужно было бы измерять непосредственно среднюю кинетическую энергию молекул, что весьма затруднительно. Поэтому, за единицу температуры формально выбирают одну сотую часть разности между температурами кипения и замерзания чистой воды при атмосферном давлении. Отношение между эргом и этой единицей дает постоянная Больцмана

.

Таким образом, если выражать температуру в градусах, то

.

В молекулярной и атомной физике часто используют единицу «электрон Вольт». 1эВ соответствует энергии, которую приобретает электрон проходя ускоряющую его разность потенциалов в 1В. 1 эВ = 11600 ^оК.

Так как кинетическая энергия величина не отрицательная, то и температура, в соответствии с определением, не может быть отрицательной. Определенная таким образом температура называется абсолютной. При всякое движение молекул прекращается. Шкала абсолютных температур называется шкалой Кельвина. Градусы в этой шкале обозначаются как градусы Кельвина . Более часто на практике используют шкалу Цельсия. За ноль в этой шкале принимают температуру замерзания чистой воды при атмосферном давлении. Температуру обозначают . Что бы перевести температуру из одной шкалы в другую, необходимо знать, чему равна температура замерзания воды в шкале Кельвина. Она равняется . Другими словами, в шкале Цельсия абсолютный нуль температуры находится при температуре . В дальнейшем будем обозначать температуру в шкале Цельсия « t », а в шкале Кельвина « T.». .

Если говорят, что эксперимент проводится при комнатной температуре, то подразумевают .

Для характеристики скорости хаотического (теплового) движения молекул пользуются квадратным корнем из величины . Эту скорость называют тепловой и обозначают .

.

Так, например, тепловая скорость молекулы водорода при комнатной температуре равна . Из формулы видно, что для молекул тепловая скорость достаточно велика, для Броуновских частиц она еще может быть заметной, для массивных тел – ничтожно мала.