Что такое температура и что происходит с телом, когда его нагревают

Наука и жизньИстория

Низкие температуры

«Наука и жизнь» № 6, 1942 год

Д-р физико-математических наук Л. Д. Ландау

Мы говорим: «на улице мороз — термометр показывает 30° ниже ноля» или «в комнате тепло — температура в ней 18° тепла».

Эти слова — «выше ноля» и «ниже ноля», или «градусы тепла» и «градусы холода» — далеко не всегда соответствуют нашим обычным представлениям о тепле и о холоде. Никто не станет утверждать, что температура в 1° тепла соответствует теплой комнате, и только тогда, когда термометр падает ниже ноля, в комнате становится действительно холодно.

Точка «ноль» на нашем термометре выбрана довольно условно; она соответствует температуре, при которой замерзает вода. Всякому ясно, что когда термометр показывает ноль, это вовсе не означает, что тело вовсе не содержит тепла. В этом смысле температура ноль ничем не отличается от температур выше и ниже нуля.

Совершенно то же мы имеем, когда говорим о том, что номер журнала, который лежит перед вами, вышел в 1942 году. Мы не придаем числу 1942 такого же буквального смысла, как например, если бы мы говорили о том, что какая-то вещь стоит 1942 рубля. Оно отмечает лишь, что от некоего, весьма условно выбранного, момента прошло 1942 года. Историки привыкли говорить о годах до нашей эры и годах после нашей эры совершенно так же, как мы говорим о температурах выше и ниже нуля, и хотя совершенно ясно, что год начала нашей эры ничем не замечателен и с таким же успехом можно было бы отсчитывать годы от любого другого момента, тем не менее такой счет лет ни для кого не представляет неудобств, лишь бы только этот счет был принят всеми.

Но если бы вы, указывая возраст, отсчитывали свою жизнь не от дня рождения, а, скажем, от момента, когда вам минуло 7 лет, то такой метод определения возраста был бы неудобен, хотя ничего противоречивого в нем не было бы, ибо число, показывающее сколько времени прошло с этого момента, одновременно указывало бы и сколько лет тому назад вы родились (для этого надо просто прибавить к этому числу еще 7 лет). Обычно никто так не поступает, ибо возраст в 7 лет ничем не замечателен, и значительно логичнее отсчитывать возраст от того момента, когда человек начал свое существование.

Ноль температуры Цельсия — это такая же условная точка. Естественно возникает вопрос о том, нельзя ли и при измерении температуры найти такую температуру, которую было бы столь же логично выбрать за ноль, как в случае возраста момент рождения человека.

Для того, чтобы на этот вопрос ответить, надо знать, что такое температура, что происходит с телом, когда его нагревают.

Хорошо известно, что если бить молотком по куску металла, то этот кусок нагреется. Что же в нем происходит? Энергия ударяющего молотка передается атомам, из которых состоит металл, атомы начинают двигаться быстрее, скорость их движения возрастает.

Это мы и воспринимаем как повышение температуры. Чем выше температура какого-нибудь тела, тем интенсивнее двигаются его атомы. Наоборот, когда температура тела понижается, то это значит, что уменьшилась скорость движения его атомов.

Но если температура так связана с движением атомов, то вполне естественно считать, что тело имеет температуру ноль тогда, когда его атомы вовсе не двигаются. Это ведь означает, что тело вовсе не содержит тепла. Естественно эту температуру, при которой тело совсем не содержит тепла, принять равной нулю. Такой ноль называют «абсолютным нолем», а температуру, отсчитываемую от этого ноля, называют «абсолютной температурой».

Косвенными способами было установлено, что абсолютный ноль соответствует температуре в 273,2° ниже ноля по термометру Цельсия. Это значит, что для того, чтобы перевести градусы Цельсия в абсолютные, надо к ним прибавить 273,2°. Так, например, температура замерзания воды равна 273,2° абсолютных*, а температура кипения 373,2°.

При измерении температуры в абсолютных градусах не существует температур ниже ноля. Говорить о температуре ниже абсолютного ноля, например о температуре в –275° по Цельсию, столь же бессмысленно, как спрашивать о том, что делал 25 лет тому назад человек, которому сейчас 20 лет.

Таким образом, абсолютный ноль есть самая низкая температура, которая только может существовать. Можно ли в действительности довести тело до температуры абсолютного ноля? Оказывается, что нет. Получить абсолютный ноль невозможно, можно только как угодно близко к нему подходить.

Представим себе, что нам надо выкачать воздух из какого-нибудь сосуда. Мы приключаем для этого наш сосуд к воздушному насосу. Сможем ли мы как-нибудь выкачать из этого сосуда весь воздух без остатка? Очевидно, нет. Сколько бы мы его ни выкачивали, всегда в сосуде останется некоторое, хотя бы и очень маленькое количество воздуха. Мы можем получать все большие и большие разрежения, но никогда не выкачаем весь воздух до последней молекулы.

Аналогично этому обстоит дело и с достижением абсолютного ноля. Мы можем все больше и больше понижать температуру тела, все больше и больше замедлять движение его атомов, но отнять у тела все тепло, полностью остановить его атомы мы не можем. У тела всегда останется некоторое, хотя бы очень небольшое, количество тепла, и его температура всегда, хотя бы не на много, будет отличаться от абсолютного ноля.

Каким же образом достигаются низкие температуры? Какие температуры умеют сейчас получать?

Самая низкая температура, какая встречается в природе, это 68° ниже ноля по Цельсию, или около 204° абсолютных. Такой мороз был отмечен на полюсе холода, в городе Верхоянске, находящемся в Сибири**.

** На сегодняшний день самая низкая температура, официально зафиксированная на Земле, составляет −89,2 °C. Она была измерена на станции «Восток» в Антарктиде 21 июля 1983 года. — Прим. ред., 2025 г.

Физики умеют получать значительно более низкие температуры. Самая низкая температура, которая была получена в лаборатории (как она была получена — об этом речь ниже), отличается от абсолютного ноля всего на 44 десятитысячных доли градуса***. Комнатная температура (около 300° абсолютных) превышает эту температуру более чем в 60 тысяч раз.

*** На 2021 год самая низкая температура в лаборатории на 38 триллионных доли градуса выше абсолютного нуля. — Прим. ред., 2025 г.

Интересно отметить, что в сторону высоких температур достижения физиков более скромны. Самую высокую температуру удалось получить Андерсону, который пропускал ток очень большой силы через тоненькую проволочку. Проволочка, конечно, моментально сгорала, но при этом создавалась температура в 20 000°. Однако эта колоссальная температура превышает комнатную «всего» в 70 раз.

Способов получения низких температур довольно много. Самым старым из них пользуются обычно при изготовлении мороженого. Известно, что при этом в лед для понижения его температуры прибавляют обыкновенную поваренную соль. Дело заключается здесь в том, что раствор соли в воде замерзает при температуре более низкой, чем температура замерзания чистой воды. Когда мы прибавляем ко льду соль, то образуется соляный раствор, который не замерзает, так как температура недостаточно низка для этого. При этом часть льда превращается в воду, которая и растворяет соль. Но для того, чтобы лед растаял, тратится тепло. Поэтому остающийся лед будет охлаждаться. Это охлаждение будет происходить до тех пор, пока температура не понизится настолько, что замерзнет сам соляной раствор. Охлаждение солью было в свое время единственным способом понижения температуры. Фаренгейт в 1714 году, выбирая для ноля своего термометра самую низкую температуру, вынужден был воспользоваться для этого смесью соли со льдом, имевшей температуру всего лишь –18° по Цельсию.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Рената Джало Рената Джало

Как устроен мир выпускницы мастерской Алексея Учителя во ВГИКе Ренаты Джало

Собака.ru
Показать то, что за кадром: как создаются экскурсии по действующему кинопарку Показать то, что за кадром: как создаются экскурсии по действующему кинопарку

Как организовать экскурсии по кинопарку, не мешая при этом съемочному процессу

Inc.
Битва промптов Битва промптов

Баттл «промпт-инженер против обычного человека с нейросетью»

ТехИнсайдер
Мягкая сила русского стиля Мягкая сила русского стиля

Масштабная площадка, рассказывающая о русской идентичности и новом образе жизни

Монокль
Как стресс влияет на кожу и как с этим бороться Как стресс влияет на кожу и как с этим бороться

Чем опасна повышенная тревожность для нашего внешнего вида

Правила жизни
Маме не говори: 12 вещей, которые родителям не нужно знать о твоем мужчине Маме не говори: 12 вещей, которые родителям не нужно знать о твоем мужчине

О чем не стоит рассказывать даже маме?

VOICE
Переходи на зеленый Переходи на зеленый

Мода на экосексуальность и привычки, полезные для тебя и для природы

Лиза
Непотопляемый Непотопляемый

Амфибии Amphicar, выпущенные более 60 лет назад, до сих пор в строю

ТехИнсайдер
В именьи близ столицы В именьи близ столицы

Почему крестьяне из Мурина получили свободу раньше?

Санкт-Петербургский университет
Никаких шлепок и свадебных платьев: какой дресс-код советуют соблюдать музеи и театры Никаких шлепок и свадебных платьев: какой дресс-код советуют соблюдать музеи и театры

Какие рекомендации по выбору одежды мировые театры и музеи дают посетителям

Forbes
Тропические болота нивелировали успехи арктических в поглощении углерода Тропические болота нивелировали успехи арктических в поглощении углерода

Почему снижается продуктивность болот, поглощающих углерод

N+1
Параллельщики. Carwin — о главных ошибках при поиске машины за рубежом Параллельщики. Carwin — о главных ошибках при поиске машины за рубежом

Как отличить реального поставщика от хорошо замаскированного обманщика

РБК
От вил до мема От вил до мема

Краткая история «Американской готики» Гранта Вуда

Weekend
Лайфхак, как быстро вернуть вещь, которую вы потеряли Лайфхак, как быстро вернуть вещь, которую вы потеряли

Чек-лист для быстрых и успешных поисков потерянной вещи

Maxim
Серебро заблестело на солнце Серебро заблестело на солнце

Рост спроса в зеленой энергетике увеличит дефицит металла на мировом рынке

Ведомости
Для чего нужен магниевый анод в бойлерах накопительного типа? Для чего нужен магниевый анод в бойлерах накопительного типа?

От чего и как именно защищает магниевый анод в бойлере косвенного нагрева?

CHIP
Пар костей не ломит Пар костей не ломит

История русской бани и опыт, который пригодится и сегодня

Лиза
Изумрудный истребитель Изумрудный истребитель

Какой рыбак не знает зимородка, этого красавца в изумрудно-синем камзоле?

Наука и жизнь
Все не просто так: почему теннисный мяч ярко-желтого цвета? Все не просто так: почему теннисный мяч ярко-желтого цвета?

Почему в итоге ярко-желтый окрас стал «официальным» для теннисного мяча?

ТехИнсайдер
Владимир Зворыкин Владимир Зворыкин

Правила жизни изобретателя Владимира Зворыкина

Правила жизни
В поиске общих интересов В поиске общих интересов

Пересечение интересов США и России возможно в энергетике и климатической сфере

Ведомости
Илья Перфильев: «Фокус на персонал – основа новой философии компании» Илья Перфильев: «Фокус на персонал – основа новой философии компании»

Об актуальных профессиях и работе с молодыми специалистами

Ведомости
Не выходя из машины Не выходя из машины

Необычные гаджеты, которые в разные эпохи можно было найти в автомобиле

Правила жизни
Польза печени трески: почему врачи рекомендуют есть этот деликатес зимой Польза печени трески: почему врачи рекомендуют есть этот деликатес зимой

Вкусная на бутерброде, источник незаменимых витаминов — все это печень трески

РБК
У берегов Сингапура нашли 3,5 тонны средневековой китайской посуды У берегов Сингапура нашли 3,5 тонны средневековой китайской посуды

С давних времен остров Сингапур выступал важным перевалочным пунктом для моряков

N+1
Погружной или стационарный блендер: какой выбрать Погружной или стационарный блендер: какой выбрать

Сравниваем плюсы и минусы погружного и стационарного блендера

CHIP
Дейнотерий – слон с берегов Дона Дейнотерий – слон с берегов Дона

Слоны – одни из самых стабильных в эволюционном плане животных...

Наука и техника
Накопительную часть пенсии «молчунов» могут перевести в ПДС автоматически Накопительную часть пенсии «молчунов» могут перевести в ПДС автоматически

О существенных изменениях для инвесторов и клиентов банков и финансовых компаний

Деньги
Российский шик с японским акцентом Российский шик с японским акцентом

Зачем текстильные компании выбирают коллаборации как главный способ продвижения

Монокль
Как работает автофокус в фотоаппарате? От сенсора до мотора в объективе Как работает автофокус в фотоаппарате? От сенсора до мотора в объективе

Как работает автофокус: подробно и со схемами

ТехИнсайдер
Открыть в приложении