2. Температура. Тепловая и внутренняя энергии
Температура непосредственно доступна нашим ощущениям, это значит, что ей соответствует некоторая физическая величина. В основном, все тела в бытовом окружении человека можно считать рассеивающими системами. Тело человека также можно считать рассеивающей системой.
Основное явление, связанное с температурой – это теплообмен, который приводит к выравниванию температур контактирующих тел. В то же время, основное явление в рассеивающих системах – это распределение энергии по степеням свободы. Следовательно, температуру можно связать со средней по времени энергией одной степени свободы системы. Проще всего принять, что эти величины пропорциональны друг другу. Будем обозначать температуру «T» – в традиционных единицах (градус Кельвина) и «Θ» – в энергетических единицах (средняя энергия одной степени свободы). По историческим причинам принята следующая связь между энергетическими и температурными единицами:
Θ = k·T/2,
где k ≈ 1.38·10—23 Дж/К – постоянная Больцмана.
В традиционной термодинамике имеется т. н. «нулевое начало» в котором постулируется наличие у макроскопических систем способности к тепловому равновесию друг с другом, и как следствие, наличие некоторой характеристики «температура», природа которой не раскрывается. В текущем изложении в подобном «начале» нет необходимости. Также в традиционной термодинамике можно встретить описание различных температурных шкал. Причина этого в том, что традиционная термодинамика «не понимает» физический смысл температуры.
Понятие «температура» имеет смысл только для состояния равновесия или достаточно близкого к нему для конкретной решаемой задачи. Систему не в состоянии равновесия можно попытаться представить в виде набора частей, каждая из которых достаточно близка к своему состоянию равновесия – тогда каждая часть будет иметь свою температуру. Температура также определена для квазиравновесных процессов.
В термодинамике предполагается, что температура всегда неотрицательна. Значение Θ = 0 называют «абсолютный нуль температуры», чтобы отличать от нуля на бытовых температурных шкалах.
В традиционной термодинамике выводится положение «о недостижимости абсолютного нуля температуры». Эту недостижимость следует понимать в смысле теоретической недостижимости в процессах, которые может рассматривать термодинамика. На практике были достигнуты температуры, отличающиеся от абсолютного нуля на очень малые доли градуса.
Существуют неклассические термодинамические теории, в