Градусы Цельсия, Кельвина, Фаренгейта

Для измерения физической величины нужен эталон: эталон длины, эталон массы. Или же можно выразить численное значение величины через уже введенные величины. Например, 1 Вт – это работа в 1 Дж, выполненная за 1 секунду.

Исторически понятие температуры возникло намного раньше, чем его связали со средней энергией. Поэтому градусы Цельсия не выражают через единицы энергии, джоули. Для них есть «эталон»: 0 °С – это температура плавления льда; 100 °С – температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении. То есть тот факт, что вода замерзает при нуле и кипит при 100 °С, – это не совпадение, так Цельсий составил свою шкалу. Разбив этот интервал на 100 промежуточных делений, получили единицу измерения – один градус Цельсия.

В другой шкале, в градусах Фаренгейта, значения привязаны к другим температурам. Так, ноль в этой шкале соответствует самой низкой температуре в родном городе Фаренгейта, температура плавления льда соответствует 32 °F, а нормальная температура человеческого тела составляет 96 °F. Перевести температуру из градусов Фаренгейта в градусы Цельсия можно по формуле:

Шкала градусов Цельсия была когда-то введена и к ней привыкли во многих странах. Градусы Фаренгейта привычны для жителей США. А для научных целей используют другую шкалу – шкалу Кельвина. Величина одного градуса у нее такая же, как по шкале Цельсия. Это удобно, изменение температур будет одинаковым в обеих шкалах, а именно изменение температуры нас интересует во многих задачах.

А вот ноль шкал отличается: по шкале Цельсия ноль – это температура замерзания воды, и температура тела может быть ниже нуля. Шкала Кельвина построена следующим образом. Температура – это мера средней кинетической энергии молекул. Понижая температуру, уменьшаем кинетическую энергию молекул. И теоретически, можно дойти до состояния, когда кинетическая энергия станет равной нулю, движение частиц прекратится и меньшей температуры достичь уже будет нельзя. Температура, при этом состоянии и есть ноль градусов по шкале Кельвина. По шкале Цельсия это градуса. То есть шкалы Фаренгейта и Цельсия просто сдвинуты друг относительно друга на 273 градуса:

Итак, мы связали кинетическую энергию одной частицы (а значит, и ее скорость), которую мы не можем напрямую измерить, с температурой, которую мы можем и воспринимать своими органами чувств, и измерять с помощью приборов – и это здорово.

Теперь мы можем решить такую задачу: найти скорость теплового движения молекул кислорода при комнатной температуре (20 ˚С). Параметры, характеризующие движение отдельной молекулы, и параметры, характеризующие свойства вещества как целого, условно разделили на микроскопические и макроскопические. К первым относятся масса молекулы, ее скорость, импульс, кинетическая энергия, а ко вторым – масса вещества, объем, давление газа, температура (так как она связана с усреднением по большому количеству частиц). И мы сможем связать микроскопические параметры с макроскопическими.

Решим задачу в ответвлении.