Nhiệt độ, nhiệt độ, nhiệt kế

13

Nhiệt độ là một trong những đại lượng vật lý không có nhiều mà một người đã học không chỉ trước khi học vật lý mà còn trước khi học đọc và viết. Ngay từ khi còn nhỏ, chúng ta đã biết rằng các từ nóng, ấm, lạnh phản ánh cảm giác của chúng ta tương ứng với các giá trị nhiệt độ khác nhau. Chúng ta nghe nói nhiệt độ cao vào mùa hè và thấp vào mùa đông, người khỏe mạnh có nhiệt độ cơ thể là 36,6 độ, nếu cao hơn thì cần phải đi khám…

Do sự hấp dẫn của khái niệm nhiệt độ, chúng ta thường không hiểu đại lượng này độc đáo như thế nào, nó khác với các đại lượng hấp dẫn khác như độ dài, khối lượng, thể tích như thế nào. Và sự khác biệt ở đây là rất đáng kể. Đây là những gì nó bao gồm.

Nếu bạn nối mười thanh, mỗi thanh dài 1 m, đặt chúng cạnh nhau, bạn sẽ có một thanh dài 10 m. Mười khối lượng 1 kg mỗi cái sẽ có khối lượng 10 kg, v.v. Nhưng nếu bạn nối mười vật thể, mỗi vật có nhiệt độ 20 độ, thì chúng ta sẽ có một vật thể có nhiệt độ là 20 độ chứ không phải 200. Nhiệt độ của các vật thể khi chúng được nối với nhau không cộng lại, vì chiều dài, thể tích, khối lượng, v.v. của chúng cộng lại. Chiều dài 100 m là tổng của một trăm độ dài 1 m, nhưng nhiệt độ là 100 độ không phải là tổng của một trăm nhiệt độ, mỗi nhiệt độ 1 độ, cũng như một người 15 tuổi không bằng một đứa trẻ 15 tuổi! Nhiệt độ, như người ta nói, không phải là một đại lượng cộng thêm. Đây là một trong những tính năng quan trọng nhất của số lượng này.

Phương pháp thay đổi nhiệt độ cũng gắn liền với đặc điểm này. Để thay đổi độ dài của một phần thân, bạn cần so sánh nó với một phần thân khác, chiều dài của phần thân đó được lấy bằng một. Xác định khối lượng của một vật có nghĩa là so sánh nó với một khối lượng khác được lấy làm đơn vị. Xét cho cùng, cả chiều dài và khối lượng của một vật đều bằng tổng chiều dài và khối lượng của các bộ phận của nó.

Nhưng nhiệt độ không thể thay đổi theo cách đó. Nhưng điều này có nghĩa là giá trị nhiệt độ hoàn toàn không thể thay đổi vì nó không thể so sánh với tiêu chuẩn nhiệt độ. Nhiệt độ luôn thay đổi như thế nào?

Một chút lịch sử

Dụng cụ đo nhiệt độ, nhiệt kế, được Galileo phát minh lần đầu tiên vào khoảng năm 1592 (bản thân từ “nhiệt kế” xuất hiện lần đầu tiên trong văn học vào năm 1624). Đường

14

Phép đo nhiệt độ do Galileo đề xuất, không khác với phép đo nhiệt độ được sử dụng ở thời đại chúng ta.

Sơ đồ của thiết bị do ông phát minh ra được thể hiện trong Hình 1.

Một quả bóng thủy tinh nhỏ (a) được hàn vào một ống dài mỏng (b) có đầu hở. Quả bóng được làm nóng bằng tay và đầu dưới của ống được ngâm trong bình chứa nước (c). Khi bình chứa nguội đến nhiệt độ môi trường xung quanh, mực nước trong ống dâng lên cao hơn mực nước trong bình chứa.

Dễ hiểu là thiết bị của Galileo lợi dụng thực tế là thể tích khí trong một ống trụ có ống phụ thuộc vào nhiệt độ. Do đó, bằng cách thay đổi thể tích khí, người ta có thể đánh giá được sự thay đổi nhiệt độ.

Tất nhiên, thiết bị được mô tả vẫn chưa có nhiệt độ. Nó không thể được sử dụng để tính giá trị số của nhiệt độ. Vì vậy, không nên gọi nó là nhiệt độ mà là nhiệt kế. Nhưng nếu một chiếc nhiệt kế được trang bị bằng cách này hay cách khác trong tủ thì nó sẽ trở thành một chiếc nhiệt kế. Tại lời giải, bài toán này mất gần 150 năm. Hiện tại, điều quan trọng đối với chúng ta là thiết bị của Galileo đã chứa đựng các nguyên lý về sự thay đổi nhiệt độ, và nguyên tắc này vẫn chưa phải thay đổi cho đến ngày nay: nhiệt độ không thay đổi theo bất kỳ cách nào. Các đại lượng phụ thuộc vào nhiệt độ được đo. Trong nhiệt kế của Galileo, có một thể tích khí có độ lớn như vậy. Trong nhiệt kế cầm tay hiện đại, đại lượng phụ thuộc vào nhiệt độ để đánh giá sự thay đổi nhiệt độ cũng là thể tích, nhưng không phải của khí mà là của rutui. Cùng với thể tích khí có độ lớn này, có thể có áp suất khí (ở thể tích không đổi), chiều dài của thanh rắn, điện trở của dây dẫn, v.v..

Một quy luật tự nhiên không thể khám phá được nếu không có nhiệt kế

Những nhiệt kế không hoàn hảo đầu tiên và thậm chí cả nhiệt kế đã giúp người ta khám phá ra một trong những định luật quan trọng nhất của tự nhiên - định luật cân bằng nhiệt. Định luật này dường như và có vẻ hiển nhiên đối với nhiều người đến mức không một nhà khoa học nào tuyên bố đã phát hiện ra nó và không ai có thể chỉ ra ngày phát hiện ra nó. Định luật này là bất kỳ nhóm (hệ thống) cô lập nào của một vật thể, theo thời gian, sẽ chuyển sang trạng thái trong đó nhiệt độ của tất cả các vật thể trong hệ thống là như nhau. Trạng thái này được gọi là trạng thái cân bằng nhiệt.

Rõ ràng là định luật cân bằng nhiệt chỉ có thể được khám phá sau khi phát minh ra nhiệt kế. Mặt khác, việc phát minh ra nhiệt kế sử dụng nhiệt kế cũng dựa trên định luật cân bằng nhiệt. Xét cho cùng, nhiệt kế cũng là một vật thể có nhiệt độ nhất định. Và nó thay đổi chính xác nhiệt độ của chính nó. Và nếu chúng ta muốn sử dụng nó để phát minh ra nhiệt kế cho một vật thể khác thì nó phải cân bằng nhiệt với nhiệt kế, vì trong trường hợp này nhiệt kế của vật thể và nhiệt kế là như nhau. Đó là lý do tại sao, khi thay đổi nhiệt độ cơ thể bằng nhiệt kế, người ta luôn phải chờ một thời gian - chờ thiết lập trạng thái cân bằng nhiệt giữa cơ thể và nhiệt kế.

Thêm một chút lịch sử

Vì vậy, nhiệt kế cho phép vào cuối thế kỷ 16. Nó trở thành nhiệt kế

15

khoảng giữa thế kỷ 18. Nhưng chính xác thì nhiệt kế thay đổi điều gì? Nhiệt độ là gì? Câu trả lời đúng cho câu hỏi này là đáp số một trăm năm sau khi nhiệt kế xuất hiện.

Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho trạng thái nhiệt của cơ thể. Chúng ta nói về vật lạnh và vật nóng rằng chúng có nhiệt độ khác nhau. Do đó, câu hỏi nhiệt độ là bao nhiêu là nhân chứng cho câu hỏi: vật lạnh khác vật nóng như thế nào?

Câu trả lời đáp số đầu tiên cho câu hỏi này được chính Galileo đưa ra. Từ một thực tế dễ quan sát là khi một vật lạnh ở gần một vật nóng, vật nóng nguội đi và vật lạnh nóng lên, Galileo đã đưa ra một lựa chọn tự nhiên rằng một vật nào đó sẽ chuyển từ vật nóng sang vật lạnh (với cùng quyền đó, người ta có thể cho rằng một vật nào đó chuyển từ vật lạnh sang vật nóng!). Galileo tin rằng “thứ gì đó” này là một chất nhiệt đặc biệt. Và hầu hết các nhà nghiên cứu của thế kỷ 17-18 đều có cùng quan điểm và gọi chất này là calo.

Theo lý thuyết dựa trên khái niệm calo, vật nóng khác với vật lạnh ở chỗ nó chứa nhiều calo hơn vật lạnh. Việc thiết lập trạng thái cân bằng nhiệt theo những ý tưởng này bao gồm thực tế là calo chuyển từ vật nóng sang vật lạnh. Điều này có nghĩa là mọi cơ thể đều bao gồm hai chất - chất của chính cơ thể đó (nước, đồng, sắt, thủy tinh) và calo. Mỗi cơ thể là một hỗn hợp giữa chất của cơ thể và chất nhiệt (teloride). Từ nhiệt độ chỉ có nghĩa là hỗn hợp. Và trong nhiều năm, người ta tin rằng nếu chúng ta thay đổi nhiệt độ, chúng ta sẽ thay đổi nồng độ calo trong cơ thể. Do đó tên của đơn vị nhiệt độ - độ. Ví dụ, chính trong các đơn vị này, nồng độ nước của máy quét đã được đo.

Quan điểm về nhiệt độ này tồn tại trong một thời gian rất dài - cho đến cuối thế kỷ 18. Đó là những gì họ đã nói - mức độ ấm áp.

Nhưng cùng lúc tồn tại lý thuyết “vật chất” về nhiệt, cái cây lại bốc cháy; khi lấy silicon ra khỏi lửa sẽ xuất hiện tia lửa điện; sắt nóng lên do được rèn thành từng bộ phận và do va đập mạnh…》 Từ đây người ta kết luận rằng nhiệt không phải là một chất, mà là sự chuyển động của các hạt nhỏ tạo nên mọi vật thể (“các hạt không nhạy cảm”, như người ta gọi khi đó).

Trong hơn hai năm đã có sự đấu tranh giữa hai lý thuyết này. Trong một thời gian dài lý thuyết thứ nhất đã thắng thế, nhưng cuối cùng lý thuyết thứ hai đã thắng thế.

Ngay từ thế kỷ 18, các thí nghiệm đã được thực hiện đã buộc nhiều nhà vật lý phải thay đổi quan điểm cho rằng nhiệt độ là nồng độ nhiệt (teloride) trong cơ thể.

Năm 1760, nhà vật lý và bác sĩ người Anh Black đã chỉ ra rằng cùng một lượng nhiệt cung cấp cho các khối lượng bằng nhau của các chất khác nhau sẽ dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ khác nhau. Nhưng nếu nhiệt độ thực sự đại diện cho sự tập trung nhiệt trong một vật, thì việc nhận cùng một lượng nhiệt sẽ làm cho các chất có khối lượng bằng nhau tạo ra sự thay đổi nhiệt độ như nhau. Trong những thí nghiệm này, Black đã phát hiện ra, như chúng ta biết ngày nay, rằng các chất khác nhau có khả năng tỏa nhiệt khác nhau. Nhưng điều này không tương thích với lý thuyết calo.

Năm 1764, Black cũng đã chỉ ra rằng nếu nước đá bị giữ lại thì nó sẽ hấp thụ

16

Nó chứa một lượng nhiệt đáng kể, nhưng nhiệt độ của nó không thay đổi. Kể từ thời Black, nhiệt lượng này thường được gọi là ẩn nhiệt của phản ứng tổng hợp. Tương tự như vậy, khi nước cứng lại, nhiệt được giải phóng và nhiệt độ lại không thay đổi. Rõ ràng là nếu nhiệt độ là sự tập trung nhiệt trong cơ thể thì không thể hấp thụ nhiệt nếu không tăng nhiệt độ và không thể mất nhiệt do nhiệt mà không đốt cháy nhiệt độ của nó.

Chính xác thì nhiệt độ là gì, một đại lượng mà ý nghĩa của nó bấy lâu nay vẫn chưa rõ ràng?

Điều này chỉ trở nên rõ ràng sau khi thuyết động học về cấu trúc của vật chất xuất hiện. Và chúng ta sẽ hiểu ý nghĩa của nhiệt độ khi so sánh hai vật tưởng chừng như hoàn toàn khác nhau - một trong những kết quả của thuyết động học và phương pháp đo nhiệt độ.

Về sự hỗn loạn phân tử và các quy luật của nó

Cơ sở của thuyết động học về cấu trúc của vật chất là phát biểu rằng mọi chất đều bao gồm những hạt - phân tử nhỏ, chuyển động liên tục và ngẫu nhiên. Các phân tử hoạt động bằng lực hút và lực đẩy phức tạp. Nhưng trong chất khí ở áp suất bình thường những lực này rất nhỏ. Và người ta có thể tưởng tượng một loại khí trong đó không có lực tương tác giữa các phân tử. Vì loại khí như vậy chỉ có thể tưởng tượng được nên nó được gọi là khí lý tưởng.

Khí lý tưởng là sự tích tụ của một số lượng lớn các phân tử chuyển động ngẫu nhiên theo mọi hướng với tốc độ hàng trăm mét mỗi giây, liên tục sao chép giữa chúng và với thành bình. Tuy nhiên, trong sự hỗn loạn không thể tưởng tượng được này (có thể bản thân từ gas bắt nguồn từ từ hỗn loạn cổ xưa), tuy nhiên, những luật lệ nghiêm ngặt và bất khả xâm phạm vẫn vận hành. Do trong khí lý tưởng không cần tính đến lực tương tác giữa các phân tử nên các định luật này có thể được thiết lập về mặt lý thuyết. Đặc biệt, bạn có thể sử dụng các định luật cơ học để tính áp suất khí, tức là lực mà khí tác dụng lên một đơn vị thành của nước sốt. Lực này là kết quả của tác động của các phân tử chuyển động vào tường.

Tính toán cho thấy nếu có $N$ phân tử khí ở trạng thái có thể tích $V$ thì áp suất do khí tác dụng lên thành nước sốt bằng

$$p = \frac{2}{3} \frac{N}{V} \bar{E},$$

trong đó $\bar{E} = \frac{mv^2}{2}$ là động năng của chuyển động xaotic, đạt trung bình trên 1 phân tử khí. Công thức (1) cho thấy áp suất khí bằng $\frac{2}{3}$ động năng trung bình của chuyển động xaotic của các phân tử có trong một đơn vị thể tích (xét cho cùng, $\frac{N}{V}$ chính xác là số lượng phân tử trên một đơn vị thể tích).

Đối với việc bán khí, việc tính toán áp suất khá phức tạp, nhưng trong một số điều kiện nhất định, công thức (1) khá chính xác. Giá trị của $N/V$ và $\bar{E}$ càng nhỏ thì độ chính xác càng cao. Trong thực tế, công thức này có thể được sử dụng ở áp suất khoảng 1 ampe và nhỏ hơn.

Nhưng tất cả những điều này có liên quan gì đến nhiệt độ? Rốt cuộc, nhiệt độ không được bao gồm trong công thức (1)!

Để hiểu, chúng ta hãy quay lại phương pháp đo nhiệt độ bất hợp pháp mà chúng ta đã xem xét.

Về thang đo nhiệt độ

Nhiệt kế đầu tiên được sử dụng trong thực tế là nhiệt kế chất lỏng do một nhóm các nhà khoa học Florentine chế tạo. Theo họ, chúng bắt đầu được thiết kế và sản xuất ở những nơi khác

17

Những nước này. Họ sử dụng nhiều chất lỏng khác nhau, nhưng chủ yếu là rượu và thủy ngân (đôi khi là dầu).
Nhiệt kế chất lỏng là những ống thủy tinh mỏng có đầu hình quả bóng nhỏ hoặc hình trụ ở phía dưới. Quả bóng và phần dưới của ống chứa đầy chất lỏng (rượu, thủy ngân, dầu). Trên trang thứ hai của trang bìa, bạn sẽ thấy các mẫu nhiệt kế Florentine. (Có đúng không, đây không chỉ là những thiết bị mà còn là một tác phẩm nghệ thuật theo một cách nào đó. Nhìn chung, các thiết bị này được tạo ra với “cách tiếp cận nghệ thuật”.)
Đối với tủ đo nhiệt độ, những cách chế tạo chúng mang tính cá nhân nhất đã được sử dụng. Mỗi nhà thiết kế và sản xuất nhiệt kế đều có cách tạo ra một chiếc tủ cho họ. Vào cuối thế kỷ 18, có khoảng hai chục tủ đo nhiệt độ khác nhau được sử dụng, trong đó ba tủ vẫn tồn tại cho đến ngày nay (cũng là quá nhiều).

Cuối cùng, các nguyên tắc chế tạo tủ nhiệt kế do thợ thổi thủy tinh, nhà vật lý người Hà Lan Fahrenheit và nhà thiên văn học người Thụy Điển Celsen đề xuất đã thành công. Nguyên tắc này dựa trên việc sử dụng hai cái gọi là điểm chuyển tiếp, tức là các trạng thái nhiệt khác nhau về cấu trúc của chúng. Với những điểm như vậy -

18

Đây là nhiệt độ của băng và độ sôi của nước ở áp suất khí quyển. (Điểm nóng chảy của bất kỳ chất rắn nào và điểm sôi của bất kỳ chất lỏng nào ở một áp suất nhất định cũng không đổi, nhưng nước và nước đá là dễ tiếp cận nhất.)

Năm 1742, C đề xuất phương pháp chia độ này, tức là tạo ra thang đo nhiệt kế (Hình 2). Nhiệt kế, bất kể là loại nào, được tiếp xúc với lớp băng đó và sau khi thiết lập trạng thái cân bằng nhiệt, mức chất lỏng trong nhiệt kế (nếu là nhiệt kế lỏng) sẽ dịch chuyển một số lượng nhất định. Sau đó, nước đá như vậy được thay thế bằng nước sôi và mức chất lỏng mới trong nhiệt kế được bù bằng một số khác với mức đầu tiên là 100. Và sự khác biệt về mức độ được chia thành 100 phần bằng nhau - độ. Bây giờ có vẻ tò mò rằng độ C đánh dấu mức chất lỏng trong nhiệt kế ở nhiệt độ sôi của nước bằng số 0, và mức chất lỏng ở nhiệt độ nước đá đang tan bằng số 100. Tuy nhiên, 8 năm sau, vào năm 1750, thang đo đã bị đảo ngược và ở dạng này nó vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.

Ngay cả trước độ C, vào năm 1724, độ F, cũng sử dụng nhiệt độ của nước đá tan và nước sôi làm điểm chuyển đổi, đã chế tạo ra các nhiệt kế trong đó nhiệt độ của nước đá tan được bù bằng số 32 và nhiệt độ của nước sôi bằng số 212, sao cho khoảng nhiệt độ giữa nước đá tan và nước sôi không được chia thành 100 mà thành 180 phần bằng nhau - độ. Nhà khoa học người Pháp Romur, giống như độ C, cho rằng nhiệt độ của băng đang tan là 0, nhưng theo nhiệt kế của Romur thì nước sôi ở nhiệt độ 80 độ.

Như chúng ta thấy, có sự tùy tiện đáng kể trong việc xây dựng thang đo nhiệt độ. Số độ mà nó được chia thành tùy ý.

$$\frac{V - V_0}{t - t_0} = c,$$

trong đó $c$ là một hằng số. Nếu chúng ta giả sử rằng $t_0 = 0$ thì $V - V_0 = ct$ và $V = V_0 + ct$.

Có thể xác minh rằng thể tích thực sự phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ? Rõ ràng là không. Thật vậy, để thử nghiệm thực nghiệm cần phải

20

Để không phá vỡ thang đo trăm độ C đã được thiết lập trong hơn hai trăm năm, người ta vẫn tin rằng

$$T - T_0 = 100.$$

(3)

Chênh lệch áp suất tại điểm sôi của nước và nước đá được chia thành 100 phần bằng nhau. Điều này có nghĩa là bây giờ chúng ta giả định trước rằng nhiệt độ phụ thuộc tuyến tính vào áp suất khí ở thể tích không đổi. Hơn nữa, chúng ta có thể giả sử rằng nhiệt độ của khí ở propio tỷ lệ thuận với áp suất của nó. Tất nhiên, giả định này không thể được xác minh vì lý do tương tự như trong giai thoại trên, không thể kiểm tra tính chính xác của đồng hồ bằng một phát đại bác hoặc tính kịp thời của một phát bắn của đồng hồ. Nói một cách đơn giản, bản thân sự thay đổi nhiệt độ dựa trên thực tế là áp suất khí và nhiệt độ của nó được coi là tỷ lệ thuận với nhau.

Bây giờ cần phải gán giá trị bằng 0 cho nhiệt độ của băng đó. Nó có thể được tính toán đơn giản. Trong thực tế, nếu nhiệt độ của chất khí tỉ lệ thuận với áp suất thì tỉ số áp suất của chất khí ở nhiệt độ của nước sôi và nước đá của nó bằng tỉ số của các nhiệt độ này, nghĩa là

$$\frac{p}{p_0} = \frac{T}{T_0}.$$

(4)

Nhưng tỉ số ở vế trái của phương trình này là 1,3661. Do đó, phần bên phải bằng số này:

$$\frac{T}{T_0} = 1,3661.$$

Từ đây chúng ta có được

$$T = 1,3661T_0.$$

Thay giá trị này cho $T$ vào đẳng thức (3), chúng ta tìm thấy

$$1,3661T_0 - T_0 = 100,$$

và chúng tôi ngay lập tức nhận được

$$T_0 = \frac{100}{0,3661} \approx 273,15.$$

Cơm. 4.

Đây là điểm khác biệt giữa thang đo mới với thang đo độ C cũ: nhiệt độ tan của băng trên thang đo này không phải bằng 0 mà là 273,15 độ. Và nhiệt độ bằng 0 là 273,15 (gọi tắt là 273) độ dưới nhiệt độ tan của băng. Đây là nhiệt độ mà tại đó áp suất của khí lý tưởng sẽ bằng 0 nếu đạt đến nhiệt độ đó và nếu khí đó vẫn là khí ở nhiệt độ này. Vì áp suất khí không thể nhỏ hơn 0 nên nhiệt độ trên thang đo như vậy không thể âm (các số 0 thay đổi).

Thang nhiệt độ vừa được mô tả (chúng tôi bỏ qua một số chi tiết trong định nghĩa của nó, thực tế không tồn tại) được gọi là thang nhiệt độ tuyệt đối hoặc thang Kelvin. Và bản thân nhiệt độ không có trong thang đo này được gọi là nhiệt độ tuyệt đối. Nó được ký hiệu bằng chữ $T$ và được biểu thị bằng độ Kelvin (viết tắt là °K), do đó nhiệt độ tan của băng là 273,15 °K, nhiệt độ sôi của nước là 373,15 °K, v.v.

Nhưng thang đo độ C cũng được sử dụng trong thực tế. Nhiệt độ

21

những phần còn thiếu trên thang đo này được ký hiệu bằng chữ cái $t$ và được biểu thị bằng độ C (viết tắt là °C). Trên thang đo này, nhiệt độ của nước đá như vậy là 0°C, nhiệt độ sôi của nước là 100°C, v.v. Rõ ràng là $t^{\circ}\mathrm{C}=(T-273,15)^{\circ}\mathrm{K}$.

Trong vật lý, bạn hầu như luôn sử dụng thang đo Kelvin.

Bây giờ chúng ta sẽ không khó để tìm ra ý nghĩa thực sự của nhiệt độ là gì.

Nhiệt độ là gì?

Vì vậy, theo phương pháp đo nhiệt độ được chấp nhận, áp suất $p$ của một khối khí tùy ý $M$, tức là một số lượng tùy ý $N$ của các phân tử khí, trong một bình có thể tích $V$ tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của nó $T$.

Điều này có thể được nhìn thấy từ phương trình (4), có thể được viết lại thành

$$\frac{p}{T} = \frac{p_0}{T_0}.$$

Hệ thức (5) cho thấy ở một thể tích không đổi, tỷ số giữa áp suất khí và nhiệt độ tuyệt đối của nó là một giá trị không đổi. Mặt khác, áp suất khí, như chúng ta đã thấy, được xác định theo công thức (xem (1))

$$p = \frac{2}{3} \frac{N}{V} \bar{E}.$$

Thay thế giá trị này $p$ vào biểu thức (5), chúng ta thu được

$$T = \frac{2}{3} \frac{N}{V} \frac{T_0}{p_0} \bar{E}.$$

Phương trình (6) đề cập đến một chất khí trong một bình kín có thể tích không đổi. Do đó, số lượng $N$ phân tử khí không đổi; mối quan hệ $\frac{T_0}{p_0}$, như chúng ta đã thấy, cũng là hằng số. Do đó, hệ số $\bar{E}$ trong công thức (6) là giá trị không đổi đối với bất kỳ loại khí nào, nghĩa là số mol khí bằng $\frac{M}{\mu}$; và vì có $N_A$ phân tử trong mỗi molega ($N_A$ là số Avogadro), nên số lượng phân tử $N$ trong khối khí $M$ là $N = \frac{M}{\mu} N_A$. Vậy giá trị của khối lượng khí là $M$, khối lượng mol của nó là $\mu$, thể tích của bình là $V$ và áp suất khí là $p_0$

22

ở nhiệt độ $T_0$, có thể xác định được giá trị của hằng số Boltzmann $k$.

Loại phép đo này (cũng như nhiều loại khác) đã được thực hiện nhiều lần. Tất cả đều đưa ra giá trị cho hằng số Boltzmann

$$k = 1,38 \cdot 10^{-23} \text{ дж/эрад.}$$

Như chúng ta có thể thấy, giá trị của $k$ rất nhỏ. Điều này có nghĩa là động năng trung bình của các chuyển động ngẫu nhiên của một phân tử, yếu tố xác định cái mà chúng ta gọi là nhiệt độ, là cực kỳ nhỏ. Ở nhiệt độ $1^\circ\text{K}$, động năng trung bình của phân tử $\bar{E}$ bằng

$$\frac{m v^2}{2} = \frac{3}{2} \cdot 1,38 \cdot 10^{-23} \approx 2 \cdot 10^{-23} \text{ дж/mолекулу.}$$

Đây là sự tương ứng giữa độ Kelvin và joules trên mỗi phân tử.

Tóm lại, chúng ta vẫn phải tìm ra mối liên hệ giữa nhiệt độ và nhiệt lượng - hai khái niệm mà trong nhiều thế kỷ được coi là gần như đồng nghĩa với nhau.

Được biết, nhiệt lượng là năng lượng của các chuyển động nhiệt ngẫu nhiên được truyền từ vật này sang vật khác (trong quá trình truyền nhiệt). Do đó, rõ ràng là nhiệt không phải là đại lượng đặc trưng cho trạng thái của vật thể. Không thể nói nó được chứa trong cơ thể. nhiệt độ đặc trưng cho trạng thái của cơ thể, bởi vì nó được xác định bởi động năng trung bình của các phân tử của nó. Rõ ràng là không có mối liên hệ nào giữa nhiệt độ và nhiệt độ. Chúng ta chỉ có thể nói rằng nếu hai vật có nhiệt độ khác nhau thì nhiệt độ của tôi càng cao, chúng ta chuyển sang phương pháp kia. Nhiệt độ của một vật thể là đại lượng quyết định liệu vật thể đó sẽ truyền nhiệt cho vật thể khác hay nhận nhiệt từ chúng. Định nghĩa về nhiệt độ như vậy đã đến thời của Maxwell.

Chúng ta có cần một đại lượng gọi là nhiệt độ không?

Nhiệt độ với tư cách là một khái niệm và như một đại lượng vật lý xuất hiện ngay từ đầu trước khi người ta hiểu được ý nghĩa thực sự của nó. Nhưng bây giờ nó đã được biết đến, liệu nó có đáng để bảo tồn tầm quan trọng dường như cổ xưa này không? Chẳng phải là tốt hơn sao, ở bất cứ nơi nào chúng ta quen nói về nhiệt độ, về độ Kelvin, về độ C, hãy thay thế chúng bằng những gì chúng thực sự là - động năng trung bình của một hạt, và thay đổi nó thành joules?

Không khó để thấy rằng không có lý do gì để từ bỏ nhiệt độ và độ.

Thứ nhất, chẳng hạn, sẽ khó thuận tiện khi một bác sĩ coi một bệnh nhân bị bệnh dựa trên cơ sở động năng trung bình của phân tử của anh ta là $6,64 \cdot 10^{-21} \text{ дж}$, thay vì nói về nhiệt độ $38^\circ\text{C}$.

Thứ hai, việc thay thế bằng jun cũng có thể gây ra hiểu lầm. Xét cho cùng, năng lượng, chẳng hạn, trong $100^\circ\text{дж}$, nói chung, có nghĩa là công việc trong $100^\circ\text{дж}.$ có thể thu được bằng chi phí của nó. Giữa nhiệt độ của cơ thể là $100 \text{ дж/mолекулу}$ (đối với nhiệt độ, đây là một giá trị tuyệt vời), điều này không có nghĩa là bạn có thể đạt được công việc tương tự với chi phí của nó.

Lúc chia tay

1. Con số nào biểu thị nhiệt độ không tuyệt đối trên thang đo Fahrenheit và Reaumur?
2. Tính động năng trung bình của một phân tử khí ở nhiệt độ $1000^\circ\text{K}$.
3. Khi một quả bom hạt nhân phát nổ, một quả cầu khí được hình thành, nhiệt độ của nó có thể được coi là bằng 20 triệu độ. Động năng trung bình của một hạt trong quả bóng này là bao nhiêu?
4. Trong vật lý nguyên tử và hạt nhân, người ta thường biểu thị năng lượng của các hạt theo đơn vị đặc biệt - electron volt (eθ).
   Biểu thị động năng trung bình của một phân tử khí ở nhiệt độ phòng bằng electron volt.
5. Tính giá trị của hằng số Boltzmann bằng cách thử độ F.