Bezwzględna i praktyczna skala temperatury, kelwin i stopień Celsjusza

W praktyce temperaturę podaje się zwykle w skali Celsjusza. Temperatura $t=0°\text{C}$ odpowiada punktowi zamarzania, zaś $t=100°\text{C}$ – punktowi wrzenia wody destylowanej pod normalnym ciśnieniem $1\text{atm}=101325\text{Pa}$. Zwróć uwagę, że podano tu ciśnienie normalne z dokładnością większą niż w poprzednim rozdziale.

Kelwin $\text{(}\text{K}\text{)}$, jednostka temperatury w skali bezwzględnej, jest równy stopniowi Celsjusza $\text{(}°\text{C}\text{)}$, gdy mowa jest o przyrostach temperatury. Natomiast punkty zerowe obu skal są różne. W skali bezwzględnej nie ma temperatury ujemnej. Zero jest najniższą temperaturą. Dla odróżnienia skal temperaturę w skali Celsjusza oznacza się zazwyczaj przez $t$, natomiast w skali Kelvina zawsze przez $T$.

Temperatura krzepnięcia wody (topnienia lodu) w bezwzględnej skali temperatur wynosi $\mathrm{273,15}\text{K}$. Zatem zero bezwzględne odpowiada $-\mathrm{273,15}°\text{C}$. Temperatura wrzenia wody (przy normalnym ciśnieniu) wynosi, odpowiednio, $\mathrm{373,15}\text{K}$. Punkty służące do skalowania temperatury, takie jak punkt topnienia lodu i punkt wrzenia wody, nazywamy punktami charakterystycznymi. Oprócz wymienionych powyżej dwóch punktów charakterystycznych można ustalić jeszcze wiele innych. Jednym z nich jest tzw. punkt potrójny wody, przy którym trzy stany skupienia wody – lód, ciecz i para są w równowadze. Punkt ten odgrywa ważną rolę, ponieważ daje się ustalić z dużą dokładnością. Zagadnienie to omówimy bliżej, gdy będziemy rozważać przemiany fazowe różnych substancji w rozdziale 8.3. Przemiany fazowe.

Po wyznaczeniu punktów charakterystycznych można porównać obydwie skale temperatur (il. 6.6). Zależność między liczbowymi wartościami temperatury w obydwu skalach jest następująca:

gdzie $t$ oznacza temperaturę w skali Celsjusza.

Natomiast przyrost temperatury o jeden kelvin jest równy przyrostowi temperatury o jeden stopień Celsjusza. Fakt ten często wyrażamy skrótowo, pisząc (lub mówiąc), że $1\text{K}=1°\text{C}$.

Bardzo niskie i bardzo wysokie temperatury (temat nadobowiązkowy)

Materiały w skrajnych warunkach, tzn. w warunkach bardzo niskiej i bardzo wysokiej temperatury, skrajnie wysokim ciśnieniu itp., wykazują ciekawe własności. Już obecnie znane są zastosowania praktyczne materiałów w takich warunkach. Dlatego dziedzinie tej poświęca się wiele uwagi, zarówno od strony teoretycznej, jak i badań doświadczalnych.

Najniższą temperaturą jest zero bezwzględne. W żadnym eksperymencie nie udało się uzyskać tej temperatury. Dotychczas, przy zastosowaniu specjalnych, bardzo skomplikowanych metod (stosując technikę laserową), osiągnięto temperaturę różniącą się od zera bezwzględnego tylko o $\mathrm{2,4}\cdot {10}^{-11}\text{K}$.

Zgodnie z przewidywaniami klasycznej mechaniki w temperaturze zera bezwzględnego powinien ustać wszelki ruch atomów czy cząsteczek. Jednakże, według mechaniki kwantowej (teorii powstałej w XX wieku, odnoszącej się głównie do mikroświata), obraz „bezruchu” jest bardziej skomplikowany. Przewiduje ona, że w każdym układzie istnieje stan o najniższej energii. W pierwszym tomie podręcznika opisaliśmy taki stan w odniesieniu do budowy atomu – jest to jego stan podstawowy. W odniesieniu do układu atomów stan podstawowy, o najniższej energii, nie odpowiada bezruchowi, lecz wykonywaniu przez atomy czy cząsteczki tak zwanych drgań zerowych. Nie istnieje żaden sposób na odebranie cząsteczkom energii drgań zerowych. W miarę zbliżania się temperatury do zera bezwzględnego rośnie prawdopodobieństwo przejścia pojedynczej cząsteczki w stan podstawowy. Takie zachowanie materii powoduje m.in., że prawo gazów doskonałych, które omówimy dalej, można stosować dla temperatury dostatecznie odległej od zera bezwzględnego.

W temperaturze mało różniącej się od zera bezwzględnego wszystkie substancje (z wyjątkiem helu) znajdują się w stanie stałym, nawet takie jak tlen czy wodór, o których z przyzwyczajenia myślimy, że są zawsze gazami. Natomiast ciekły hel uzyskuje niezwykłą właściwość – nadpłynność (inaczej nadciekłość), polegającą na tym, że przepływa przez wąskie szczeliny, nie wykazując tarcia wewnętrznego, czyli tak zwanej lepkości.

Wiele ciał stałych w bardzo niskiej temperaturze wykazuje nadprzewodnictwo elektryczne, polegające na zaniku oporności elektrycznej dla prądu stałego. Istnienie tego zjawiska stwarza nowe, niezwykłe możliwości dla techniki, np. wytwarzanie pól magnetycznych o dużej gęstości energii oraz wytworzenie doskonałej pamięci w urządzeniach liczących (prąd raz wprowadzony do kołowego nadprzewodnika może krążyć w nim praktycznie wiecznie). W wyniku intensywnych badań w tej dziedzinie osiągnięto w ostatnich 30 latach podniesienie temperatury krytycznej, poniżej której występuje nadprzewodnictwo od wartości ok. 25 K do wartości ok. 200 K

Na drugim krańcu skali znajdują się temperatury wysokie. Temperatura rzędu setek tysięcy i milionów kelwinów występuje podczas wybuchów jądrowych i termojądrowych, jak również we wnętrzu gwiazd. Wysoką temperaturę można uzyskać w wiązce lasera o dużej energii. Materia w takiej temperaturze występuje pod postacią nowego stanu materii – plazmy. Już temperatura rzędu tysięcy kelwinów wystarcza, by większość atomów materii była w stanie zjonizowanym. Plazma składa się właśnie ze zjonizowanych atomów i swobodnych elektronów.

Plazma charakteryzuje się wieloma ciekawymi własnościami, do których należy zaliczyć silne oddziaływanie z polem elektrycznym i magnetycznym, gdyż cząstki plazmy nie są obojętne elektrycznie i mają ładunki. Oddziaływanie między cząstkami naładowanymi w plazmie powoduje, że staje się ona swego rodzaju ośrodkiem sprężystym, w którym łatwo powstają i rozchodzą się różne fale, bardziej różnorodne niż w zwykłym gazie składającym się z cząsteczek nienaładowanych elektrycznie.