Температура... Задавали ли вы себе когда-нибудь вопрос, а что же это такое?

Не торопитесь «усмехаться в усы», и говорить: «ну ты бы ещё спросил, что такое дважды два!», — так как ответ на этот вопрос, на самом деле, не столь очевиден, как может показаться на первый взгляд;-)

Итак, если я вас хоть немного заинтриговал, милости прошу про под кат, где мы попробуем изучить это понятие, с несколько неожиданных сторон!

Температура, с точки зрения классической физики

Для начала, давайте посмотрим, как определяет понятие температуры классическая физическая теория…

С её точки зрения, температура — это определённое качество явлений материального мира, исторически воспринимаемое человеком с помощью органов чувств, что, субъективно, позволяет нам определять её как различные градации нагретости: горячо, холодно, тепло, и т.д.

Субъективность нашего восприятия температуры не позволяет вывести универсальные градации, так как одна и та же температура будет восприниматься разными людьми, в зависимости от особенностей и состояния их тела (больной-здоровый, взрослый-маленький и.т.д.) по-разному.

Кроме того, влияет на восприятие температуры и теплопроводность объекта/явления, с которым происходит взаимодействие — скажем, металлические предметы более теплопроводные, чем деревянные, поэтому, они воспринимаются как более холодные.

Нужно упомянуть, что человеческое тело может воспринимать температуру только в достаточно узком диапазоне и с помощью чувств тела невозможно производить замер слишком горячих или слишком холодных тел, а многие функции тела имеют даже свой оптимальный температурный диапазон работы, выход за который чреват некачественной работой.

Скажем, если мы возьмём те же самые вкусовые сосочки человеческого языка, то наиболее эффективной температурный диапазон их работы располагается в пределах 15-35°С, в то время как повышение температуры пищи выше 50°С или ниже 0°С существенно снижает их возможности по распознаванию вкусов.

Причиной такого явления является денатурация рецепторных белков при превышении оптимального температурного диапазона, или же их недостаточная активность, при выходе за нижнюю границу.

В целом, в общем случае, можно сказать, что низкая температура влияет на клеточные мембраны замедляя передачу сигналов через них, в то время как высокая температура может повреждать их структуру.

Поэтому, шеф-повара ресторанов знают, что каждое подаваемое блюдо должно быть оптимальной температуры, не только для языка в целом, но и для оптимального восприятия вкусов тех компонентов, из которых оно состоит.

Таким образом, например, вкус некоторых продуктов наиболее полно раскрывается при следующих температурах:

• аромат шоколада вы сможете почувствовать, но, при этом он не будет приторным (если слишком горячий), и не потеряет аромат (если слишком холодный) при температуре в 18-22°С;
• сыр раскроется при 20-22°С;
• фрукты лучше всего употреблять, имеющие температуру в 12-16°С.

Существует достаточно большой список оптимальных температур для разных продуктов и блюд, но, так как подробное рассмотрение этого будет уже слишком далеко от нашего исследования, мы обзорно глянули только на некоторые из них.

При этом, наблюдается интересный эффект: все мы знаем, что есть множество видов еды, которые выходят по своей температуре подачи на стол за пределы указанного температурного диапазона (горячие супы, горячие вторые блюда и т.д.), но, несмотря на это, вкус мы всё-таки чувствуем! Как же так получается?

Дело здесь в том, что, к примеру, если говорить о горячих блюдах, то они выделяют множество ароматических молекул, которые воспринимаются уже не языком, так как его рецепторы выключены температурой, а… носом! И это вызывает иллюзию более насыщенного вкуса! О_о

В то же время, если температура является экстремально низкой для восприятия вкусовыми рецепторами (например, если это мороженое) — то его вкус специально делают очень насыщенным, чтобы даже заторможенные реакции рецепторов смогли его воспринять! Вот такой интересный трюк...

А, скажем, если мы обратимся к кончикам пальцев, то у них свой температурный диапазон оптимальной работы, который находится в пределах 20-40°С, а высокая насыщенность кончиков пальцев нервными окончаниями и термическими рецепторами позволяет им распознавать температурные перепады, даже с шагом в 0,5-1°С!

В то же время как, если мы вернёмся обратно к языку, то его температурная разрешающая способность значительно хуже, и он может распознавать температуру, всего лишь с шагом в 2-3°С, так как основная его функция — всё же распознавание вкуса, а не температуры, поэтому он с распознаванием температуры справляется несколько хуже, чем пальцы, так как имеет меньше специализированных рецепторов, чем кончики пальцев.

Таким образом, исходя из всего сказанного, мы со всей очевидностью понимаем, что градация температуры будет субъективной не только в восприятии разных людей, но даже и в восприятии различных частей одного и того же тела!

Что же делать? Для решения этой проблемы и построения универсальной температурной шкалы, физика вводит понятия теплового, или термического равновесия, а в более общем виде, это рассматривается и в рамках термодинамического равновесия.

Что это значит: дело в том, что если разные тела нагреты до различающихся температур, то, если привести их в соприкосновение — более нагретое тело будет охлаждаться, передавая тепло менее нагретому.

На каком-то моменте их температуры уравновесятся, и станут одинаковыми.

Таким образом, можно сказать, что в какой-то момент система из взаимодействующих тел придёт в термодинамическое равновесие — то есть все составные её части будут иметь одну температуру, которая будет оставаться стабильной.

Именно подобный подход и был использован для градуирования одной из шкал измерения температуры, которую создал в 1742 году Андерс Цельсий и мы знаем её под названием «шкала Цельсия»: за две крайние точки (0°С) и (100°С) у этой шкалы были взяты два физических состояния обычной воды, при атмосферном давлении: при одной температуре система стабилизируется и застывает, превращаясь в лёд, в то время как при другой — закипает. Сама шкала градуирована таким образом, что имеет разделение от 0 до 100, с шагом по одному градусу.

Тем не менее, несмотря на эти две опорные точки, это не значит, что с помощью этой шкалы можно замерять температуру только в этом пределе — все мы знаем, что температуры в Цельсиях измеряются и значительно ниже нуля и выше 100 градусов.

Это происходит потому, что это шкала считается линейной и бесконечной и экстраполируется за пределы этого диапазона, с использованием (для точности) различных реперных точек — например, температур замерзания и кипения/плавления различных веществ.

То есть, например, наблюдая явление плавления олова (+232°С) — поставили на этой отметке точку, и разделили шкалу от +232°С до +100°С — на равные промежутки.
Точно так же, может быть получена и шкала ниже 0°С: за реперную точку, например, берётся температура сжижения гелия, равная -268,95°С, после чего, промежуток от этой температуры до 0°С также делится на равные отрезки.

А, например, чтобы откалибровать показатели электронных измерительных устройств, таких, как пирометры или тепловизоры, используется, инфракрасное излучение «абсолютно чёрного тела» — в роли которого выступает специальная калибровочная печь, внутренняя полость которой покрыта сажей или специальным оксидом (оксид никеля или оксид железа), которую нагревают до известной температуры (например до 150°С), после чего запоминают полученный от измерительного устройства сигнал, экстраполируя его на другие отрезки, выше и ниже этой температуры, разделяя на равные шаги.

Температурная шкала Цельсия для нас известна и привычна, однако, кроме неё, существуют и другие шкалы: например, шкала Фаренгейта, которая была создана в 1724 году Даниэлем Фаренгейтом, где за нулевую точку температуры он взял температуру смешанных между собой льда, воды и нашатыря, а, например, вода замерзает согласно этой шкале при 32 градусах, и кипит при 212.

Кроме названных существует ещё «на слуху» и шкала Кельвина, созданная в 1848 году лордом Кельвином.

Все три шкалы имеют своё применение, и, например, шкала Цельсия более удобна для бытового применения, поэтому она так широко распространена, в то время как шкала Кельвина больше используется учёными, а Фаренгейта исторически распространена в США.

К слову, вот здесь, есть любопытная табличка, где видно, как соотносятся температуры в шкалах разных систем (не только перечисленных выше).

Однако, вернёмся к нашему исследованию...

Не знаю как для вас, но для меня, в своё время, было весьма удивительно узнать, что, с точки зрения физики, понятие температуры не имеет смысла на микроуровне — уровне отдельных молекул и атомов!

Почему удивительно — так как это в корне расходится с нашим житейским пониманием температуры, и сразу хочется поспорить: «ну как же так! Ведь если отдельное яблоко имеет температуру, то и отдельная песчинка из песочницы тоже должна иметь температуру!»

Но, дело тут в том, что и в случае яблока, и в случае песчинки, — мы имеем дело с макроскопическими объектами, состоящими из множества частичек (это важно), и понятие температуры, с точки зрения физики (как мы могли понять это выше, в рассказе про термодинамическое равновесие элементов системы), это некая статистическая величина, средняя, после распределения энергии между множеством частиц в системе.

Однако, если речь идёт об отдельном атоме или молекуле, говорить об взаимодействии множества частиц не приходится*, так как с точки зрения физики, температура можно применить только к системам, состоящим из множества частиц, с хаотическим обменом энергией между ними.

*Да, вы можете сказать, что «но, ведь молекулы состоят из множества атомов, в то время атомы, в свою очередь, состоят из множества частиц, и количество открытых частиц всё более увеличивается!»

Да, это так, но, тем не менее, принято считать, что к составным элементам атомов, по крайней мере, на нынешнем уровне понимания, нельзя применить понятия «хаоса» и «хаотического обмена энергиями», так как их состояния могут быть описаны конкретными формулами.

И тут мы подошли к следующей, очень интересной части рассказа: да, к атомам и молекулам нельзя применить понятие температуры, но можно применить понятие «скорости», так как при температуре выше абсолютного нуля они находятся в состоянии хаотического теплового движения, и это движение тем более быстрое, чем выше температура макроскопической системы, в которой они находятся (атомы булки хлеба в печи, как пример).

И наоборот — чем ниже температура, тем меньше скорость теплового движения...

Причина теплового движения заключается в хаотическом обмене энергией между сталкивающимися частицами — и это движение сохраняется даже при абсолютном нуле — только в случае абсолютного нуля, это тепловое движение заменяется квантовыми флуктуациями (можно условно сказать «дрожанием» частиц), причиной которого являются фундаментальные физические законы, заключающиеся в том, что любая частица, имеющая массу, согласно принципу неопределённости, должна иметь неопределённое положение и массу, поэтому, например, даже при абсолютном нуле, атомы и молекулы слегка «дрожат».

Кстати забавный момент: в некоторых фантастических произведениях, иногда рассматривается идея (гипотетическая) о полной остановке теплового движения — и коллапсе (схлопывании) физической материи как таковой — «электроны упадут на ядра атомов» и т.д.

Однако, согласно физическим законам, это невозможно, так что, не боимся, продолжаем жить дальше:-))

Рассмотрим на микроуровне, что же происходит, когда человек берёт в руку нагретый предмет, например, пускай это будет пирожок (с полки) :-)

Я думаю, что для начала, нужно будет вдуматься в тот факт, о котором мы обычно не задумываемся: приходило ли вам в голову, что на самом деле, когда вы касаетесь физических предметов, условно говоря, можно сказать, что вы их не касаетесь — просто вы приближаете атомы своего тела на такое расстояние к атомам целевого предмета/объекта (обычно, порядка 1 ангстрем), в результате чего начинается электростатическое отталкивание электронных облаков атомов условного «пирожка» и кожи руки?

Предположим, что пирожок ещё недолго лежит на полке, и до сих пор горячий. Это означает, что (если мы будем рассматривать на атомном уровне) атомы пирожка достаточно быстро хаотически колеблются, в результате теплового движения.

Что же тогда произойдёт, если мы возьмём его в руку? А произойдёт следующее: атомы кожи руки получат, условно говоря, «множественные микроудары», которые их сместят, сместив, соответственно, и молекулы белков, в которых они находятся, и что и будет зарегистрировано нервной системой!

Поэтому, условно говоря, можно сказать, что мы чувствуем не «температуру», а интегральную среднюю силу множественных ударов, от величины которой и зависит наше ощущение «температуры»!

Если эта сила маленькая (дуновение летнего ветра) — нам приятно, если эта сила большая — то нам неприятно, вплоть до начала повреждений тканей тела…

И, обратная ситуация, — если мы касаемся холодного предмета, то это приводит к замедлению теплового движения атомов нашего тела, так как они затрачивают свою энергию, в попытке «толкнуть» более медленные атомы другого объекта.

Таким образом, если обобщить, можно условно сказать, что, когда мы «чувствуем температуру» и ощущаем тепло или холод — мы, по большому счёту, ощущаем замедление или ускорение, то есть, другими словами, величину скорости! Вот такой любопытный факт...

Влияние на электронику

Все мы знаем, что температура и электроника напрямую связаны, так как от температуры зависят показатели её работы. Посмотрим, как же это происходит…

В прошлой статье, мы узнали, что основным проводником электрического тока в металлах является так называемый «электронный газ» — то есть, некоторое количество свободных электронов, присутствующих в металлах, и не связанных с кристаллической решеткой.

Благодаря этому, они могут свободно колебаться, передавая свои колебания, как другим таким же электронам, так и атомам кристаллической решётки.

В случае отсутствия потенциала на концах проводника, их колебания хаотичны, поэтому, можно сказать, что суммарный электрический ток через проводник равен нулю.

При появлении потенциала на концах проводника, их колебания становятся направленными, из одного конца проводника в другой — что совершенно не означает, что они в процессе не будут сталкиваться с атомами кристаллической решётки (и это нормально).

Собственно говоря, это и является электрическим сопротивлением (если рассматривать его на микроуровне), то есть, другими словами, насколько трудно колебанием электронов проталкиваться через эту «праздношатающуюся толпу» — кстати говоря, хорошая аналогия: если вы были в метро, то попробуйте протолкнуться сквозь толпу, которая ещё и раскачивается, как пингвины, из стороны в сторону, постоянно хаотически загораживая вам дорогу, в то время, как вы пытаетесь сквозь них протолкнуться, чтобы успеть на встречу :-D.

А теперь, представим, что ситуация ещё более усугубится, если температура увеличится, другими словами, колебания атомов станут ещё более активными (и так-то тяжело было проталкиваться, а тут ещё и эти «никак не войдут в положение» и даже активизировались...:-D).

Таким образом, в общем случае, увеличение температуры в проводниках негативно влияет на прохождение электрического тока, так как растёт сопротивление.

А вот в изоляторах совсем не факт: я думаю, многие помнят, или видели известный школьный опыт, когда зажжённая свеча вносится между пластинами, подключенными к конденсатору, например, лейденской банке — и сразу проводимость воздуха увеличивается, что вызывает ускоренный разряд и регистрируется подключенным измерителем.

Такое повышение проводимости возникает из-за термической ионизации, когда высокая температура выбивает из атомов компонентов воздуха электроны, в результате чего, в воздухе образуется взвесь из электронов и ионов, которая хорошо проводит электрический ток.

Причём, если диэлектриком является не воздух, а вещество с кристаллической решеткой, то там весьма прочные связи в этой решётке, и для их разрушения и выбивания электронов, требуется достаточно большая температура, на уровне плавления или близко к этому.

Поэтому, в общем случае, для диэлектриков (в тех же конденсаторах) высокая температура это плохо, так как возникает риск пробоя (или увеличения утечек, как минимум).

При этом, надо иметь в виду, что рост утечек начинается не с того момента, когда конденсатор будет расплавлен! :-)

Утечки начинаются гораздо раньше, и например, для электролитических конденсаторов этот порог составляет где-то 50°С, а для керамических он находится уже около 100°С.

Если же взглянем на полупроводники, то мы там обнаружим сложную зависимость: сначала, повышение температуры вызывает увеличение проводимости, за счёт выбивания большего количества электронов в зону проводимости, в то время как дальнейшее повышение температуры, вызывает ухудшение проводимости, за счёт увеличения колебаний атомов кристаллической решётки (тот же самый эффект, как и у проводников, в описании выше, когда току сложно проталкиваться сквозь «качающиеся» атомы).

Поэтому, для полупроводников, лучше работать на некоторой средней температуре, в качестве которой обычно озвучивают диапазон до 85°С, приблизительно (для более конкретных цифр, надо изучать документацию для каждого конкретного полупроводникового изделия).

Ну и нельзя не упомянуть, раз уж мы заговорили о температуре, такое интересное состояние некоторых материалов, когда при понижении температуры ниже определённого уровня, наблюдается падение сопротивления материалов до нуля, с выталкиванием магнитного поля из проводника, где основным действующим «лицом» являются так называемые «куперовские пары» из двух электронов. Механизм работы этой системы довольно сложен, поэтому, желающим ознакомиться более подробно с эффектами сверхпроводимости, рекомендую поизучать информацию, например тут.