Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Предположим тогда, что температура опустилась на 273 градуса ниже 0 °С. В том случае Δt будет равно –273. Из уравнения 13.4 мы видим, что ΔV в этом случае будет равно V(-273)/273, или –V. B результате новый объем, который равен (V + ΔV), будет равен (V — V), или нулю. Строгое применение закона Гей-Люссака показывает, что при достижении температуры –273 °С объем газов станет равным нулю.

Однако такая возможность не заставила физиков запаниковать. Они предположили, что, прежде чем газы достигнут температуры, равной — 273 °С, они перейдут из газообразной формы в жидкую, а там коэффициент объемного расширения будет намного меньшим. (И как оказалось, это было совершенно верным.) Но даже если бы это было не так, кажется весьма вероятным, что закон Гей-Люссака не может строго применяться при очень низких температурах [63] Важно помнить, что многие научные обобщения являются справедливыми только при определенных диапазонах давления, температуры и множестве других факторов окружающей среды. Это не затрагивает полноценность обобщения в пределах рассматриваемого диапазона, но нельзя ожидать, что они будут полезны нам. когда мы вышли за границы этого диапазона. и что коэффициент объемного расширения может постепенно уменьшаться, по мере понижения температуры, и, хотя объем продолжает сокращаться, это будет происходить все медленнее и медленнее и в конечном итоге никогда не достигнет нуля.

Тем не менее температура –273 °С не была забыта. В 1848 году Уильям Томсон, которому позже было присвоен титул лорда Кельвина, указал, что было бы удобным принять –273 °С за точку отсчета, как самую низкую возможную температуру. Ее назвали «абсолютный нуль» [64] Фактическое значение абсолютного нуля, согласно новейшим современным исследованиям, равно –273,16 °С. .

Если мы примем величину в –273 °С за нуль и рассчитаем от этого значения вверх шкалу в градусах Цельсия, то получим «абсолютную шкалу температур». Данные, которые мы снимаем с этой шкалы, представляют собой «абсолютную температуру», а градусы, которые мы считываем, могут быть обозначены как (°А) (от слова «абсолютный») или, как более часто пишут, °К (от фамилии Кельвин).

Чтобы привести температуру в градусах Цельсия к абсолютной шкале, необходимо всего лишь добавить 273. Например, точка замерзания воды равна 0 °С, что равно 273 °К; а закипает вода при 100 °С, то есть при 373 'К. Чтобы предотвратить неразбериху, общепринято обозначать значения температуры по шкале Цельсия буквой t, а значения по шкале Кельвина — буквой T [65] Однако покончить с неразберихой не так уж и просто. Например, t обозначает не только температуру по Цельсию, но также, и очень часто, — время. Сейчас в физике используются все буквы латинского и греческого алфавитов, а также некоторые буквы из иврита, санскрита и других языков, строчные, прописные, подстрочники и субскрипты, написанные курсивом, жирным шрифтом или готическим письмом, и все равно, невзирая на такое обилие символов, имеются многочисленные случаи их совпадения. По этой причине при представлении любого уравнения всегда желательно описывать значение каждого из символов и никогда не допускать, что значение любого из них — самоочевидно. . Таким образом, мы можем записать соотношение шкалы Кельвина к шкале Цельсия следующим образом:

Удобство использования абсолютной шкалы опирается на тот факт, что некоторые физические отношения могут быть выражены в более простой форме, если мы будем использовать T, а не t. Например, попробуем выразить взаимосвязь, по которой объем газа изменяется вместе с температурой. Начнем с температуры, равной t 1, при которой объем газа равен ( V 1 ), тогда, когда температура изменится до значения t 2, объем газа будет равен V 2, окончательный объем будет равен первоначальному объему плюс изменение в объеме, то есть V 2 = V 1 + ΔV

Если мы возьмем уравнение 13.4, то увидим, что ΔV = V 1Δt)/273. Однако изменение в температуре (Δt) — это разность между конечной и начальной температурами (t 2– t 1). Величина объемного расширения газов определяется для начальной температуры равной 0 °С, так что t 2− t 1, становится равным t 2— 0, или просто t 2. Поэтому мы можем заменить в уравнении 13.4 Δt на t 2. Тогда выражение (V 2 = V 1+ ΔV) приобретает вид:

Его можно легко преобразовать в: