Номер 4, страница 215 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 63. Определение температуры. Энергия теплового движения молекул. Глава 9. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа - номер 4, страница 215.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Абсолютная шкала температур (шкала Кельвина) имеет ряд фундаментальных преимуществ перед шкалой Цельсия, особенно в научных и инженерных расчетах. Эти преимущества делают ее основной шкалой для термодинамики и многих других областей физики.

• Фундаментальная точка отсчета

  Главное преимущество абсолютной шкалы — ее нулевая точка (0 К), известная как абсолютный нуль. Это не произвольно выбранное значение, как 0 °C (температура замерзания воды), а фундаментальная физическая константа. Абсолютный нуль — это теоретически минимально возможная температура, при которой тепловое движение частиц вещества прекращается, и они обладают минимальной энергией (находятся в основном квантовомеханическом состоянии). Шкала Цельсия, напротив, имеет отрицательные значения, что физически менее интуитивно.

• Прямая пропорциональность физическим величинам

  Многие ключевые законы физики выражаются в наиболее простой и прямой форме, когда температура измеряется в кельвинах. Абсолютная температура напрямую связана со средней кинетической энергией частиц. Например:

  • Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул идеального газа прямо пропорциональна абсолютной температуре: $E_k = \frac{3}{2}kT$, где $k$ — постоянная Больцмана.

  • Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона) также использует абсолютную температуру: $PV = \nu RT$. Давление $P$ и объем $V$ газа прямо пропорциональны температуре $T$ в кельвинах. Использование градусов Цельсия в этих формулах потребовало бы введения постоянного слагаемого ($t + 273.15$), что усложнило бы их.

  • Мощность теплового излучения абсолютно черного тела (закон Стефана-Больцмана) пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры: $P = \sigma T^4$.

• Отсутствие отрицательных значений и корректность отношений

  Поскольку на шкале Кельвина нет отрицательных значений, это упрощает математические операции и делает сравнения корректными. Например, утверждение "температура увеличилась в два раза" имеет физический смысл только для абсолютной шкалы. Температура 200 К действительно соответствует вдвое большей тепловой энергии, чем 100 К. В то же время, 20 °C (что равно 293,15 К) не в два раза "горячее", чем 10 °C (283,15 К).

• Стандарт в Международной системе единиц (СИ)

  Кельвин (К) является основной единицей измерения термодинамической температуры в системе СИ. Градус Цельсия (°С) является производной единицей, и его значение официально определяется через кельвин по формуле: $t(°C) = T(K) - 273.15$. Использование основной единицы СИ обеспечивает универсальность и согласованность в научных расчетах по всему миру.

Ответ: Главные преимущества абсолютной шкалы температур (шкалы Кельвина) по сравнению со шкалой Цельсия заключаются в том, что ее нулевая точка (абсолютный нуль) является фундаментальным физическим пределом, а не условной точкой (как температура замерзания воды). Это позволяет использовать абсолютную температуру в основных физических законах (например, в уравнении состояния идеального газа или законе Стефана-Больцмана) как величину, прямо пропорциональную энергии теплового движения частиц. Такое свойство значительно упрощает формулы и расчеты, делает осмысленными операции умножения и деления температур и устраняет неудобство работы с отрицательными значениями. Кроме того, кельвин является основной единицей температуры в Международной системе единиц (СИ).