§ 5. ГАЗОВЫЙ ТЕРМОМЕТР

Температура. Не менее важной задачей для молекулярно-кинетической теории является установление связи температуры тела с его микроскопическими параметрами.

Температура характеризует степень нагретости тела. О различной нагретости тел судят по процессу теплопередачи, происходящему при тепловом контакте тел. Если при осуществлении

теплового контакта между телами А и В происходит теплопередача тела А к телу В, то температура тела А выше температуры тела В. Если теплопередача между телами А и В не происходит, тела А и В находятся в тепловом равновесии, их температура одинакова.

Для количественного выражения степени нагретости тел в практике широко используется свойство расширения тел при нагревании. В жидкостном термометре расширение жидкости, заключенной в стеклянный сосуд с тонкой трубкой, измеряется по шкале, прикрепленной к тонкой стеклянной трубке с жидкостью. При измерении температуры по шкале Цельсия за нулевую точку отсчета принята температура тающего льда при нормальном давлении —

0 °С, за 100 °С — температура кипящей воды при том же давлении. Шкала термометра между положениями, занимаемыми поверхностью жидкости в трубке термометра при 0 °С и при 100 °С, делится на сто равных частей. Изменение температуры, при котором уровень отдкасти в термометре перемещается на одно деление, называется градусом по Цельсию.

Для измерения температуры тела жидкостный термометр приводят в тепловой контакт с этим телом и после установления теплового равновесия между жидкостью в термометре и телом производят отсчет температуры по шкале термометра. Установление теплового равновесия между термометром и телом определяется по прекращению процесса расширения жидкости в термометре.

При использовании для измерения температуры тел жидкостных термометров понятие температуры оказывается связанным с конкретными физическими свойствами определенного вещества, используемого в качестве рабочего тела в термометре, — ртути, глицерина, спирта. При этом нет никакой гарантии, что обнаруживаемые на опыте зависимости каких-либо физических величин от температуры имеют глубокий физический смысл. Более того, тщательно изготовленный одним способом ртутный и глицериновый термометры при одинаковых показаниях при 0° и 100 °С дают различные показания при других температурах! При 50 °С по ртутному термометру глицериновый показывает 47,6 °С!

Связь с индивидуальными свойствами одного вещества, применяемого для изготовления термометров, значительно обедняет физический смысл понятия температуры тела. Первый существенный шаг к формированию современного понятия температуры, не связанного с индивидуальными свойствами какого-то определенного вещества, был сделан молекулярно-кинетической теорией газов.

Газовый термометр. Свойство газов, обнаруженное экспериментально в конце XVIII в. французским физиком Шарлем, дает способ измерения температуры, не связанный со свойствами одного конкретного вещества. Шарль установил, что при нагревании на 1 °С при постоянном объеме давление любого газа повышается на одну и ту же величину. По современным измерениям при нагревании на 1 °С давление газа повышается примерно на 1/273 давления

Рис. 4. Газовый термометр

при температуре 0 °С. Таким образом, зависимость давления любого газа от температуры при постоянном объеме выражается законом:

где — давление газа при 0 °С, р — давление газа при температуре - термический коэффициент давления.

Зависимость давления газа от температуры позволяет изготовить газовый термометр и определить с его помощью новую шкалу температур.

Соединив сосуд, в котором находится газ, с манометром, можно измерять температуру по показаниям манометра (рис. 4). При этом обращает на себя внимание замечательный факт: при температуре t = -273 °С давление газа должно стать равным нулю! Естественно выбрать эту температуру за точку отсчета новой температурной шкалы, оставив в качестве второй точки отсчета температуру таяния льда при нормальных условиях.

В международной системе единиц СИ для измерения температуры, обозначаемой буквой Т, выбрана одна реперная (постоянная) точка — тройная точка воды. Тройной точкой воды называется температура, при которой находятся в динамическом равновесии лед, вода и водяной пар, заключенные в одном сосуде, т. е. не происходит изменения количества льда, воды и водяного пара в результате процессов плавления и отвердевания, испарения и конденсации. Единицей измерения температуры в СИ служит кельвин. Температура тройной точки воды принята за 273,16 К. Кельвин — 11273,16 температуры тройной точки воды. Единицы измерения разности температур — градус Цельсия (°С) и кельвин (К) — совпадают.

Тройная точка воды выбрана в качестве реперной точки потому, что ее удается воспроизводить экспериментальным путем с погрешностью не более 0,0001 К. Температура тройной точки воды выше точки таяния льда при нормальном давлении на 0,01 К. Поэтому связь между температурой t по шкале Цельсия в градусах Цельсия и температурой Т в кельвинах, называемой иногда абсолютной температурой, устанавливается выражением

где

Переходя от измерений температуры по шкале Цельсия к измерениям температуры по абсолютной шкале, экспериментально

Рис. 5. Зависимость давления газа от температуры

установленную зависимость давления любого газа от температуры можно выразить следующим образом (рис. 5):

Уточненное значение термического коэффициента давления газа в этом выражении равно