Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия

Фиг. 76. Газовая термометрия.

Абсолютная температура. Абсолютный нуль

Другое преимущество газового термометра — он указывает на наличие абсолютного нуля. Если мы охладим термометры, изображенные на фиг. 75, то в термометре а газ сожмется, а в термометре б давление упадет. Экстраполируя это поведение до еще меньших температур, мы наткнемся на абсолютный нуль, при котором газ приходит к нулевому объему в термометре а и нулевому давлению в термометре б. Если газы при уменьшении температуры действительно сохраняют свои свойства (чего на самом деле нет), нет надежды опуститься ниже абсолютного нуля или даже достичь его. Реальные газы превращаются в жидкости и затем в твердые тела раньше, чем охладятся до такой температуры, но это не мешает нам мечтать об абсолютном нуле как интригующем пределе. Его положение на обычной шкале Цельсия можно найти путем экстраполяции прямолинейной температурной зависимости газового термометра. Тщательные измерения с реальными газами показали, что абсолютный нуль следует поместить на шкале Цельсия приблизительно при —273 °C независимо от сорта газа. Попытки достичь этой температуры любыми способами охлаждения позволили подойти к ней довольно близко, но достичь ее не удалось. Дело в том, что этот предел вообще недостижим.

Фиг. 77. Температурная шкала газового термометра.

_{а — температура газа в °С (по собственной шкале); б — абсолютная температура газа в °К (по собственной шкале)}

Те, кому приходится вычислять объем газа при какой-то фиксированной температуре из измерений, проведенных при других температурах[190], используют эту прямую линию, проходящую через абсолютный нуль, чтобы свести задачу о расширении газа к простой пропорции наподобие следующей. Берем график температурной зависимости и перерисовываем его в новых осях с началом координат при —273 °C. Теперь температура отсчитывается, начиная с нуля в новом начале координат (это будет теперь «абсолютный нуль», или —273 °C). Новую температуру, отличающуюся от старой на 273°, мы назовем «абсолютной». Так мы отодвинули начало (но не сам график) на 273 единицы налево. Теперь наша прямая линия проходит через начало координат графика, где давление отложено по вертикальной оси, а абсолютная температура — по горизонтальной.

Давление газа, р, изменяется пропорционально абсолютной температуре Т. Для любых двух температур Т₁ и Т₂:

p₁/p₂ = T₁/T₂

Воспользовавшись газовым термометром (фиг. 75, а) или законом Бойля, мы находим, что дляобъемов V₁ и V₂ при постоянном давлении

V₁/V₂ = T₁/T₂

Этот закон верен для газов в области обычных температур, причем автоматически, ибо прямая линия проведена именно для определения температуры.

Фиг. 78. Зависимость давления газа (объем, постоянен) от абсолютной температуры (а) и зависимость объема газа (давление постоянно) от абсолютной температуры (б).

Если считать, что эта зависимость имеет место как при очень низких, так и при очень высоких температурах, то обнаружится, что разные реальные газы дают разные шкалы. Таким образом, мы должны вообразить идеальный газ — «излюбленный трюк теоретического мышления» — и пользоваться им для определения универсальной шкалы температур от абсолютного нуля до сколь угодно больших. При обычных температурах идеальный газ похож на большинство реальных, но не проявляет характерных особенностей своих «младших братьев», типа СО₂, и продолжает следовать простым законам поведения газов даже тогда, когда реальные газы начинают отходить от него и даже сжижаться[191].

190

Например, в химии измерение объема газов — одно из наиболее простых, но важных измерений. Газ — податливая штука. Объем газа, образовавшегося в эксперименте, зависит не только от масс компонент реакции, но и от его давления и температуры. Чтобы вычислить массу газа (воспользовавшись стандартной плотностью) или чтобы сравнить объемы газов, полученных в разных экспериментах, следует сначала Охладить газ (мысленно) до стандартной температуры 0 °C и найти объем, который он занял бы при этом, а затем по закону Бойля привести объем к стандартному давлению.

191

В большинстве учебников приводится закон Гей-Люссака, который утверждает, что все газы расширяются одинаково и равномерно, а объем их пропорционален абсолютной температуре. Он собирает воедино все экспериментальные факты, которыми мы уже пользовались, а именно все газы приводят к одному и тому же абсолютному нулю —273 °C, если на графике зависимости объема газа от температуры продолжить прямую, проходящую через точки кипения воды и таяния льда до пересечения с осью температуры. Другими словами, при изменении температуры от одной данной точки до другой объем всех газов изменяется в одно и то же число раз. Но закон Гей-Люссака говорит еще, что расширение равномерно. Из наших рассуждений следует, что это имеет двоякий смысл:

1) Газы расширяются равномерно, если температуру измерять ртутным термометром. Это экспериментальный факт, связанный скорее с удачным выбором ртути.

2) Газы расширяются равномерно, если температуру измерять газовым термометром. Тогда это будет необходимым следствием определения газовой шкалы температур. Провозглашений его экспериментальным фактом есть абракадабра.

Закон Гей-Люссака должен включить либо первую, либо вторую точку зрения. Смешивать их непозволительно.