21.3 — Абсолютная температура

Абсолютная температура пропорциональна средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа. Ноль Кельвина задаёт естественный энергетический отсчёт.

ФГОС · 10 классФОП · базовый уровеньинтерактивная модель

абсолютная температурапостоянная Больцманатепловое равновесиесредняя энергия

Физическая картина

Что происходит и какие границы имеет модель.

Главная идея

Температура — статистическая величина и относится к системе многих частиц.
Одинаковая температура разных газов означает одинаковую среднюю энергию поступательного движения молекул.
Шкала Кельвина не имеет отрицательных температур в школьной термодинамической модели.

Как рассуждатьСначала назовите систему и взаимодействия, затем выберите величины и только после этого записывайте закон. Формула работает в пределах допущений модели.

Законы и величины

Символы следует читать как связь величин, а не как рецепт подстановки.

\langle E_{\mathrm{к}}\rangle=\frac{3}{2}kT

средняя кинетическая энергия

T=\frac{t}{^{\circ}\mathrm C}\,\mathrm K+273.15\,\mathrm K

переход к Кельвинам

Разбор ситуации

При 600 К средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы вдвое больше, чем при 300 К.

Связи и применение

В реальном мире

При 600 К средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы вдвое больше, чем при 300 К.

Проверка модели

Сравнивайте предсказание с наблюдением, оценивайте единицы, порядок величины и влияние неучтённых факторов. Расхождение не всегда означает ошибку закона: часто идеализация перестаёт быть достаточной.

Что нужно понимать

Результат 1Объяснять физический смысл темы «Абсолютная температура» через модель, а не только через формулу.

Результат 2Различать и корректно использовать термины: абсолютная температура, постоянная Больцмана, тепловое равновесие.

Результат 3Указывать условия применимости закона, проверять единицы и предельные случаи.

Термины темы

Определение должно указывать физический смысл, а не заменяться бытовым синонимом.

абсолютная температура: Термодинамическая температура по шкале Кельвина, связанная со средней энергией теплового движения.
постоянная Больцмана: Фундаментальная постоянная, связывающая абсолютную температуру с энергетическим масштабом движения частиц.
тепловое равновесие: Состояние, в котором соприкасающиеся системы имеют одинаковую температуру и макроскопический теплообмен прекращается.
средняя энергия: Статистическое среднее энергии частиц или состояний выбранной системы.

Происхождение и вывод формул

Фундаментальный закон нельзя «доказать» алгеброй: для каждой записи указано, является ли она определением, экспериментальным законом или следствием модели.

\langle E_{\mathrm{к}}\rangle=\frac{3}{2}kT

следствие модели

Средняя кинетическая энергия. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

\langle E_x\rangle=\langle E_y\rangle=\langle E_z\rangle=\frac{1}{2}kT

Теорема о равнораспределении даёт по kT/2 каждой независимой квадратичной поступательной степени свободы.

\langle E_{\mathrm{к}}\rangle=\langle E_x+E_y+E_z\rangle

Поступательная энергия молекулы складывается из вкладов движения по трём осям.

\langle E_{\mathrm{к}}\rangle=3\cdot\frac{kT}{2}=\frac{3}{2}kT

Суммирование трёх равных вкладов даёт формулу.

Условия: Классический равновесный идеальный газ; учитывается только поступательное движение частиц, квантовыми эффектами пренебрегают. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

T=\frac{t}{^{\circ}\mathrm C}\,\mathrm K+273.15\,\mathrm K

определение

Переход к кельвинам. Ниже показано, из какого определения, опыта или закона возникает эта запись и где она применима.

0\,^{\circ}\mathrm C=273.15\,\mathrm K

Шкала Цельсия определена как сдвинутая шкала Кельвина с указанным положением нуля.

\Delta T\,(\mathrm K)=\Delta t\,(^{\circ}\mathrm C)

Размер одного кельвина равен размеру одного градуса Цельсия для разностей температур.

T\,(\mathrm K)=t\,(^{\circ}\mathrm C)+273.15

Поэтому численное значение переводят добавлением постоянного сдвига 273,15.

Условия: Для перевода численного значения температуры из градусов Цельсия в кельвины; для температурных интервалов добавлять 273,15 нельзя. Контроль: Размерности обеих частей должны совпадать; результат проверяют на знак, порядок и предельный случай.

Границы модели и типичные ошибки

Ошибка: забыть условие моделиНельзя переносить формулу на любую ситуацию только из-за совпадения букв. Ключевое условие этой темы: Температура — статистическая величина и относится к системе многих частиц.

Как проверить рассуждениеОдинаковая температура разных газов означает одинаковую среднюю энергию поступательного движения молекул. Затем проверьте единицы, направление векторов и поведение результата при нулевом или очень большом параметре.

Вывод по теме

Абсолютная температура

Температура — статистическая величина и относится к системе многих частиц.
Одинаковая температура разных газов означает одинаковую среднюю энергию поступательного движения молекул.
Любой численный результат сопровождается единицей, знаком и объяснением его физического смысла.

Содержание сверено с ФРП по физике ООО/СОО 2025 года и тематикой действующих линий ФПУ: И. М. Пёрышкин и соавторы (7–9), Г. Я. Мякишев и соавторы (10–11); углубления — с линиями «Инженеры будущего» и В. А. Касьянова. Формулировки оригинальные, тексты учебников не воспроизводятся.