Температура: суть, шкалы и единицы измерения

1. Что такое температура

Температура — фундаментальная физическая величина, характеризующая:

• степень нагретости тела;
• среднее значение кинетической энергии хаотического движения частиц (атомов, молекул, ионов);
• направление самопроизвольного теплообмена между телами.

Ключевые свойства:

• Температура — скалярная величина (не имеет направления).
• Определяет равновесное состояние термодинамической системы.
• При контакте тел с разной температурой энергия переходит от более нагретого к менее нагретому до выравнивания температур.

2. Единицы измерения температуры

В Международной системе единиц (СИ) приняты следующие единицы:

1. Кельвин (К) — основная единица термодинамической температуры:
   • отсчитывается от абсолютного нуля (теоретического минимума температуры);
   • используется в научных расчётах и метрологии;
   • размер единицы совпадает с градусом Цельсия.
2. Градус Цельсия (°C) — наиболее распространённая бытовая единица:
   • 0 °C — температура замерзания воды при нормальном давлении;
   • 100 °C — температура кипения воды при нормальном давлении.
3. Градус Фаренгейта (°F) — используется преимущественно в США:
   • 32 °F — точка замерзания воды;
   • 212 °F — точка кипения воды.

3. Связь между единицами измерения

Формулы для перевода:

• Из °C в К:
• Из °C в °F:
• Из °F в °C:​

4. Температурные шкалы: принцип построения

Температурная шкала — система числовых значений, приписанных определённым состояниям термодинамического равновесия.

Принцип построения (на примере эмпирических шкал):

1. Выбор реперных точек — чётко фиксированных состояний (например, фазовые переходы воды).
2. Присвоение реперным точкам числовых значений.
3. Деление интервала между точками на равные части (градусы).
4. Использование термометрического свойства (объём, давление, электрическое сопротивление), линейно зависящего от температуры.

Основные шкалы:

• Цельсия (°C): 0 °C (замерзание воды) и 100 °C (кипение воды).
• Фаренгейта (°F): 32 °F (замерзание) и 212 °F (кипение).
• Кельвина (К): абсолютный нуль (0 К) как начальная точка.

5. Термодинамическая шкала температур

Термодинамическая (абсолютная) температура — единственная функция состояния, определяющая направление теплообмена и не зависящая от свойств термометрического вещества.

Ключевые особенности:

• Отсчитывается от абсолютного нуля — состояния, при котором прекращается тепловое движение частиц.
• Не может быть отрицательной в классическом понимании.
• Связана со средней кинетической энергией частиц:где $k$ — постоянная Больцмана, $⟨\mathcal{E}⟩$ — средняя кинетическая энергия.

Способы построения:

1. Через идеальный тепловой двигатель — на основе количества теплоты в изотермических процессах.
2. С использованием идеального газа — линейная зависимость давления от температуры при постоянном объёме.

Абсолютный нуль (0 К):

• Теоретически недостижим (третий закон термодинамики).
• Соответствует −273,15 °C.

6. Практическое значение температурных шкал

• Наука. Термодинамическая шкала — основа физических расчётов.
• Медицина. Точность измерений критична для диагностики и лечения.
• Промышленность. Контроль температуры в металлургии, химической промышленности, энергетике.
• Климатология. Мониторинг глобальных изменений температуры.
• Быт. Комфортное проживание, приготовление пищи, хранение продуктов.

Температура — ключевая характеристика состояния вещества, определяющая его энергетические свойства и поведение. Разнообразие температурных шкал отражает потребности разных сфер деятельности:

• Кельвин — для фундаментальной науки;
• Цельсий — для повседневной жизни;
• Фаренгейт — для региональных стандартов.

Понимание принципов построения шкал и связи между единицами позволяет корректно интерпретировать температурные данные в любых областях знаний.