Почему абсолютный ноль равен – 273,15° С?

Абсолютный нуль — начало отсчёта абсолютной температуры, соответствует минус 273,15 °С. Абсолютный нуль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы  —  шкалы Кельвина. В 1954 году X Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой — температурой тройной точки воды 273,16 К (0,01 °C). Так что по шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура минус 273,15 °C или минус 459,67 °F (по Фаренгейту) или 0 Кельвинов.

В настоящее время в физических лабораториях удалось получить температуру, превышающую абсолютный нуль всего на несколько миллионных долей градуса, достичь же его, согласно законам термодинамики, невозможно.

При абсолютном нуле система должна находиться в состоянии с наименьшей возможной энергией (в этом состоянии атомы и молекулы совершали бы «нулевые» колебания) и обладать нулевой энтропией (нулевой неупорядоченностью).

Объем идеального газа в точке абсолютного нуля стремится к нулю. Первые расчеты температуры абсолютного нуля проводились еще в XVIII веке французским физиком Гийомом Амонтоном, русским ученым Михаилом Ломоносовым и немецким ученым Иоганном Генрихом Ламбертом, которые предполагали, что существует предельная степень холода, при которой воздух теряет всю свою упругость.

Численное определение этой точки возможно путём измерения объёма газа, свойства которого близки к идеальному, например гелия, при последовательном понижении температуры и проведении экстраполяции ниже критической точки (5,19 К, где свойства газа нельзя считать идеальными).

Далее предлагем вашему вниманию отрывок из книги Генриха Бурмина «Штурм абсолютного нуля», который как нельзя лучше даёт общее представление о рассматриваемом вопросе.

Почему «обидели» температуру? Ошибка Фаренгейта. Порядок и беспорядок. Когда путь вниз труднее подъёма. Ледяной кипяток. Существуют ли на Земле «холодные жидкости»?

Длину мы измеряем в метрах, массу — в граммах, время в секундах, а температуру в градусах.

Расстояние между городами исчисляется в десятках и сотнях километров, высота здания в метрах, а межатомные расстояния в стомиллионных долях сантиметра. Но во всех случаях эти величины положительные.

Выпуск продукции промышленных предприятий планируется в тоннах, в повседневной жизни мы имеем дело с килограммами и граммами. А для того чтобы выразить в граммах массу мельчайшей материальной частицы электрона, мы после запятой, перед первой значащей цифрой, должны написать 26 нулей. И все же это величина положительная.

И если вы прочтёте в задачнике, что «расстояние между пунктом А и пунктом Б равно минус 5 метров», то сразу догадаетесь, что знак «минус» здесь опечатка.

Такой же бессмысленностью в обыденной жизни представляются «отрицательный вес» и «отрицательное время». Но если вы скажете, к примеру, что температура воздуха равна минус 10 градусов, то этим вы никого не удивите.

В чем же здесь дело?

Если мы говорим, например, положительный человек, то это самый большой комплимент. Наоборот, отрицательные явления надо изживать.

Почему же так «обидели» температуру? Мы ей приписываем как положительные, так и отрицательные значения, в то время как другим физическим величинам только положительные.

Справедливо ли это?

Когда мы измеряем длину с помощью линейки или рулетки, взвешиваем предмет или запускаем стрелку секундомера, то при отсчёте на шкале прибора или приспособления мы исходим из отметки «нуль», соответствующей наименьшему возможному значению величины. Поэтому во всех трех случаях значения измеряемых величин не могут быть меньше нуля.

Когда же впервые разрабатывались температурные шкалы, никто даже приблизительно не знал, какая может быть наименьшая температура, то есть с какой точки нужно начинать отсчёт.

В 1714 году немецкий физик — самоучка Габриель Фаренгейт за «нуль», то есть за низшую точку температурной шкалы, принял температуру смеси снега и нашатыря. За вторую опорную точку Фаренгейт принял, как он утверждал, нормальную температуру человеческого тела. Интервал между этими двумя точками он разбил на 100 равных делений. Каждое такое деление получило название «градус Фаренгейта», обозначаемый так: °F (по первой букве фамилии учёного Fahrenheit).

По шкале Фаренгейта точка таяния льда + 320 °F, а точка кипения воды  -212 °F. Эта шкала до сих пор употребляется в Англии и США.

В 1742 году шведский астроном и физик Андерс Цельсий предложил шкалу термометра, в которой интервал между точкой таяния льда и точкой кипения воды был разбит на 100 равных частей, каждая из которых получила название «градус Цельсия», обозначаемый так: °С (по первой букве фамилии учёного Celsius). Точка таяния льда была принята за 0 °C, а точка кипения воды за 100 °C.

Эта шкала находит широкое применение в СССР и многих других странах.

Как перейти от температуры в градусах по шкале Фаренгейта к температуре в градусах по шкале Цельсия?

Расстояние между точкой таяния льда и точкой кипения воды на шкале Фаренгейта составляет 212–32=180 градусов, а на шкале Цельсия только 100 градусов. Следовательно, один градус Фаренгейта равнозначен 5/9 градусам Цельсия. Кроме того, точка таяния льда на шкале Фаренгейта сдвинута вверх на 32 градуса по сравнению со шкалой Цельсия.

Отсюда легко можно вывести формулу перевода градусов Фаренгейта в градусы Цельсия:
 t °С = 5/9(n °F – 32), где введены следующие обозначения: t °С — температура в градусах по шкале Цельсия; n °F — температура в градусах по шкале Фаренгейта.

А теперь мы предлагаем читателю определить, какую ошибку допустил Фаренгейт при разработке своей шкалы. Напомним, что Фаренгейт принял за нормальную температуру человеческого тела 100 °F.

Подставив эту величину в приведённую выше формулу, мы обнаружим, что она соответствует 37,8 °C.

Но ведь с такой температурой врач немедленно отправит вас в постель!

В действительности нормальная температура человеческого тела не 100°F, а примерно 98°F.

Наличие двух разных температурных шкал создаёт определенные неудобства, особенно в наш век, когда контакты между людьми разных стран и континентов становятся все более тесными.

Однажды в гостинице одного из городов Европы остановился американский промышленник. Назовём его мистер Смит.

По приезду мистер Смит (он был человек предусмотрительный) вынул из чемодана взятый из дому привычный для него термометр Фаренгейта.

Однако в спешке (прибыло ещё много других гостей) горничная перепутала и установила термометр Фаренгейта за окном соседнего номера, где остановился турист из Парижа — месье Поль, а в номере американца остался числящийся по описи гостиницы термометр Цельсия.

Вот что из этого вышло.

Представьте себе утро погожего дня ранней весны. Хотя столбик термометра ещё стоит на нуле по Цельсию, под солнечными лучами уже начинает подтаивать. На выходе из гостиницы остановились двое.

Один из них — обливающийся потом американец, облачённый в тяжелую шубу. Он закутал своё лицо так, что виднеется только кончик носа. Рядом подпрыгивает, стуча от холода зубами, француз. Он оделся так, будто в знойный день собрался на пляж.

Этому предшествовали следующие события.

Проснувшись, мистер Смит первым делом взглянул на термометр (он был уверен, что это термометр Фаренгейта, а на самом деле это был, как мы уже знаем, термометр Цельсия).

«Брр, какой ужасный мороз», — подумал американец: столбик термометра стоял на отметке 0° (используя приведённую выше формулу, легко подсчитать, что 0° по Фаренгейту соответствует минус 18° по Цельсию).

Естественно, мистер Смит экипировался соответствующим образом.

В то же самое время месье Поль, который не подозревал, что за окном его номера установлен термометр Фаренгейта, воскликнул:

— Какая тропическая жара, черт побери!

Термометр показывал плюс 32 градуса.

Разумеется, подобные казусы в обыденной жизни бывают не так уж часто. Однако отсутствие объективной температурной шкалы создавало немалые трудности при проведении исследований, связанных с измерением температуры.

Закон Гей-Люссака

Французский химик и физик Жозеф Гей-Люссак в 1802 году обнаружил интересную зависимость. Оказалось, что объем данного газа при постоянном давлении изменяется прямо пропорционально изменению температуры. При этом каждый раз при изменении температуры газа на 1 °C объем газа изменяется на одну и ту же величину независимо от природы газа, а именно на 1/273 его объёма при 0 °C.

Так в физику вошёл закон .

Этот закон позволил сделать интересные выводы.

Представьте себе следующий воображаемый опыт. Вы имеете некоторый объем газа, находящегося под постоянным давлением, и охлаждаете его начиная от 0 °C.

При охлаждении на 1 °C объем газа уменьшается на 1/273 часть его первоначального объёма. Вы охлаждаете газ еще на 1 °C, и уменьшение его объёма составляет уже 2/273 части первоначального объёма, и т. п. Наконец, при охлаждении на 273 °C… Но стоп! Мы слишком увлеклись. Ведь при охлаждении на 273 °C объем газа вообще должен был исчезнуть.

Значит, – 273 °C является наименьшей температурой, к которой можно подойти сколь угодно близко, но никогда нельзя достичь. Следовательно, естественно выбрать за исходную точку температуры, то есть за абсолютный нуль температуры, именно – 273 °C.

Так возникла идея шкалы абсолютной температуры.

Но следует заметить, что при достаточно низкой температуре газ начинает сжижаться и закон Гей-Люссака не применим. В этом смысле наш воображаемый опыт не вполне корректен.

Более строгое доказательство того, что ни одно тело не может быть охлаждено ниже абсолютного нуля, основанное на втором законе термодинамики, принадлежит английскому физику Уильяму Томсону (лорду Кельвину), который в 1848 году ввёл в науку понятие об абсолютной температуре и абсолютную шкалу температур.

Поэтому шкалу абсолютной температуры принято называть шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой, а температуру, определяемую по этой шкале, — термодинамической.

Значение абсолютного нуля температуры

Последующие измерения позволили уточнить значение абсолютного нуля температуры. Оно оказалось равным – 273,15 °C.

В Международной системе единиц измерения физических величин, принятой международным форумом — XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году, одной из шести основных единиц является единица термодинамической температуры — кельвин, обозначаемая буквой К (устаревшее название «градус Кельвина» или °К). Один кельвин равен одному градусу Цельсия.

Для того чтобы градусы Цельсия перевести в кельвины, достаточно к числу градусов Цельсия добавить 273,15. Следовательно, температура таяния льда составляет 273,15 К, а точка кипения воды 373,15 К.

Удобство термодинамической температурной шкалы заключается в первую очередь в отсутствии отрицательных температур. Эта шкала широко используется при научных исследованиях и в технике.

В повседневной жизни мы пока пользуемся шкалой Цельсия, так как к большим числам, в которых выражается температура в кельвинах, сразу привыкнуть трудно.

Вполне очевидно, недалеко время, когда шкала Кельвина станет единой, как это предусмотрено международными соглашениями.