ТЕМПЕРАТУ́РА

ТЕМПЕРАТУ́РА (от лат. temperatura – со­раз­мер­ность, нор­маль­ное со­стоя­ние), T, ска­ляр­ная фи­зич. ве­ли­чи­на, ха­рак­те­ри­зую­щая со­стоя­ние тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия мак­ро­ско­пич. сис­те­мы; ме­ра ср. ки­не­тич. энер­гии те­п­ло­во­го дви­же­ния час­тиц сис­те­мы. Т. – ве­ли­чи­на неад­дитив­ная. Из­ме­ря­ет­ся разл. тер­мо­мет­ра­ми.

Т. оп­ре­де­ля­ет на­прав­ле­ние те­п­ло­об­ме­на ме­ж­ду те­ла­ми. При те­п­ло­вом кон­так­те те­ло с боль­шей Т. от­да­ёт энер­гию те­лу с мень­шей Т. Пе­ре­ход энер­гии от од­но­го те­ла к дру­го­му про­дол­жа­ет­ся до тех пор, по­ка не на­сту­пит со­стоя­ние тер­мо­ди­на­ми­че­ско­го рав­но­ве­сия, в ко­то­ром те­ла бу­дут иметь оди­на­ко­вую Т. Те­п­ло­об­мен ме­ж­ду те­ла­ми, имею­щи­ми оди­на­ко­вую Т., не про­ис­хо­дит.

Ср. ки­не­тич. энер­гия <ℰ> те­п­ло­во­го хао­тич. по­сту­па­тель­но­го дви­же­ния час­тиц (мо­ле­кул, ато­мов, ио­нов) всех тел, на­хо­дя­щих­ся в со­стоя­нии тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия друг с дру­гом, ока­зы­ва­ет­ся оди­на­ко­вой и не за­ви­сит от ха­рак­те­ристик са­мих час­тиц. По­это­му ве­ли­чи­на <ℰ> счи­та­ет­ся ме­рой т. н. аб­со­лют­ной (тер­мо­ди­на­ми­че­ской) Т., от­счи­ты­вае­мой от аб­со­лют­но­го ну­ля. Тер­мо­ди­на­мич. Т. про­пор­цио­наль­на ср. ки­не­тич. энер­гии те­п­ло­во­го по­сту­па­тель­но­го дви­же­ния час­тиц и оп­ре­де­ля­ет­ся со­от­но­ше­ни­ем T=(²/₃k)<ℰ>, где k=1,38·10^–23 Дж/К – Больц­ма­на по­сто­ян­ная. Под ср. зна­че­ни­ем ки­не­тич. энер­гии по­ни­ма­ют ли­бо ср. зна­че­ние энер­гии раз­ных час­тиц в один и тот же мо­мент вре­ме­ни, ли­бо ср. зна­че­ние энер­гии од­ной и той же час­ти­цы в раз­ные мо­мен­ты вре­ме­ни (оба оп­ре­де­ле­ния эк­ви­ва­лент­ны). Еди­ни­ца из­ме­ре­ния тер­мо­ди­на­мич. Т. в СИ – кель­вин.

В бо­лее об­щем слу­чае тер­мо­ди­на­мич. Т. оп­ре­де­ля­ет­ся как ча­ст­ная про­из­вод­ная при по­сто­ян­ном объ­ё­ме V внутр. энер­гии U сис­те­мы по её эн­тро­пии S: T=(∂U/∂S)_V. Это оп­ре­де­ле­ние яв­ля­ет­ся ес­те­ст­вен­ным след­ст­ви­ем за­ко­на воз­рас­та­ния эн­тро­пии и дос­ти­же­ния сис­те­мой мак­си­му­ма эн­тро­пии в со­стоя­нии тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия. Тер­мо­ди­на­мич. Т. оп­ре­де­ля­ет рас­пре­де­ле­ние об­ра­зую­щих сис­те­му час­тиц по уров­ням энер­гии (Больц­ма­на ста­ти­сти­ка) и рас­пре­де­ле­ние час­тиц по ско­ро­стям (Мак­свел­ла рас­пре­де­ле­ние), сте­пень ио­ни­за­ции ве­ще­ст­ва (Са­ха фор­му­ла), спек­траль­ную плот­ность рав­но­вес­но­го элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (см. План­ка за­кон из­лу­че­ния) и др.

По­сколь­ку ки­не­тич. энер­гия все­гда по­ло­жи­тель­на, то и аб­со­лют­ная Т. по оп­ре­де­ле­нию мо­жет при­ни­мать толь­ко по­ло­жи­тель­ные зна­че­ния. При аб­со­лют­ном ну­ле Т. в те­ле пол­но­стью пре­кра­ща­ет­ся те­п­ло­вое дви­же­ние и ос­та­ют­ся толь­ко ну­ле­вые ко­ле­ба­ния час­тиц. В со­от­вет­ст­вии с треть­им на­ча­лом тер­мо­ди­на­ми­ки по­ни­зить Т. тела до аб­со­лют­но­го ну­ля не­воз­мож­но, но мож­но при­бли­зить­ся к не­му сколь угод­но близ­ко. Верх­не­го пре­де­ла Т. не су­ще­ст­ву­ет.

По­ня­тие Т. при­ме­ни­мо не толь­ко к те­лам, со­стоя­щим из ато­мов, мо­ле­кул и ио­нов, но и к элек­трон­но­му га­зу, элек­тро­маг­нит­но­му из­лу­че­нию (см., напр., Те­п­ло­вое из­лу­че­ние) и т. д. Так, Т. ре­лик­то­во­го из­лу­че­ния (см. Мик­ро­вол­но­вое фо­но­вое из­лу­че­ние), за­пол­няю­ще­го всё про­стран­ст­во Все­лен­ной, со­став­ля­ет ок. 2,7 К. Это оз­на­ча­ет, что лю­бое изо­ли­ро­ван­ное те­ло, уда­лён­ное от звёзд и пла­нет, не мо­жет иметь Т. ни­же 2,7 К.

Диа­па­зон Т., на­блю­дае­мых в при­ро­де, чрез­вы­чай­но ши­рок. Тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции, яв­ляю­щие­ся ис­точ­ни­ком энер­гии звёзд (и, сле­до­ва­тель­но, осн. ис­точ­ни­ком энер­гии во Все­лен­ной), идут при Т. ок. 10⁷–10⁸ К; Т. в не­драх ней­трон­ных звёзд дос­ти­га­ет 10¹¹ К. Т. на по­верх­но­сти Солн­ца – ок. 5800 К, на по­верх­но­сти Ве­не­ры – ок. 750 К, на по­верх­но­сти Плу­то­на – ок. 50 К, Т. меж­звёзд­но­го про­стран­ст­ва – ок. 2,7 К. При соз­да­вае­мых в ла­бо­ра­то­ри­ях низ­ких тем­пе­ра­ту­рах ве­ще­ст­ва об­на­ру­жи­ва­ют уни­каль­ные свой­ст­ва (см., напр., Сверх­те­ку­честь, Сверх­про­во­ди­мость, Де Хаа­за – ван Аль­ве­на эф­фект). Са­мые низ­кие Т., дос­тиг­ну­тые в на­уч. ла­бо­ра­то­ри­ях, – ок. 10^–7 К.

На­ря­ду с при­ме­няе­мой в фи­зи­ке тер­мо­ди­на­мич. Кель­ви­на шка­лой, на прак­ти­ке ши­ро­ко ис­поль­зу­ют др. тем­пе­ра­тур­ные шка­лы. Наи­бо­лее рас­про­стра­не­ны в бы­ту Цель­сия шка­ла и Фа­рен­гей­та шка­ла. Эти шка­лы ис­поль­зу­ют­ся, напр., в ме­тео­ро­ло­гии. Са­мая низ­кая Т., за­ре­ги­ст­ри­ро­ван­ная на по­верх­но­сти Зем­ли, со­став­ля­ет ок. –89 °С (на стан­ции «Вос­ток» в Ан­тарк­ти­де), са­мая вы­со­кая – ок. +58 °С (в Ли­вии).

Хо­тя по­ня­тие Т. стро­го при­ме­ни­мо толь­ко к сис­те­мам в со­стоя­нии тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия, им мож­но поль­зо­вать­ся и в слу­ча­ях, ко­гда пол­но­го тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия нет. Так, мож­но го­во­рить о не­рав­но­мер­но на­гре­тых те­лах, раз­ные точ­ки ко­то­рых име­ют раз­ные Т., мед­лен­но из­ме­няю­щие­ся со вре­ме­нем. При этом име­ют в ви­ду Т. ма­лых, но мак­ро­ско­пич. об­лас­тей не­рав­но­вес­ной сис­те­мы, ко­то­рые на­хо­дят­ся прак­ти­че­ски в рав­но­вес­ном со­стоя­нии. Сис­те­ма же в це­лом при этом в со­стоя­нии тер­мо­ди­на­мич. рав­но­ве­сия не на­хо­дит­ся – про­ис­хо­дит мед­лен­ный про­цесс вы­рав­ни­ва­ния Т. разл. её час­тей.

Су­ще­ст­ву­ют так­же сис­те­мы, со­стоя­ние ко­то­рых мож­но ха­рак­те­ри­зо­вать не­сколь­ки­ми не рав­ны­ми друг дру­гу Т. Напр., в плаз­ме, со­стоя­щей из лёг­ких и тя­жё­лых за­ря­жен­ных час­тиц (элек­тро­нов и ио­нов), энер­гия при столк­но­ве­ниях эф­фек­тив­но пе­ре­да­ёт­ся от лёг­ких час­тиц к лёг­ким и от тя­жё­лых час­тиц к тя­жё­лым. Но об­мен энер­ги­ей ме­ж­ду эти­ми дву­мя под­сис­те­ма­ми про­ис­хо­дит очень мед­лен­но. В та­ком слу­чае мож­но го­во­рить о не сов­па­даю­щих ме­ж­ду со­бой элек­трон­ной тем­пе­ра­ту­ре и ион­ной тем­пе­ра­ту­ре.