Что такое температура?

Что такое температура? Что она обозначает? Каков её физический смысл?

На самом деле это очень важные и серьезные вопросы. Все мы привыкли измерять температуру, интуитивно понимаем, чувствуем, что значит теплый, холодный или горячий. Но можем ли мы утверждать, что температура – это понятие относительное, обозначающее только разность энергетических характеристик двух систем? Или что температура – это величина абсолютная, характеризующая некую объективную физическую величину?

Почему взаимодействующие объекты в системы стремятся к термодинамическому равновесию? И что вообще означает понятие термодинамическое равновесие?

Из курса химии мы знаем, что разные вещества имеют разные температуры плавления, кипения. При одной и той же температуре одни вещества находятся в твердом (замерзшем) состоянии, другие – в жидком, а третьи – в газообразном. Т.е. каждый химический элемент обладает уникальной энергетической емкостью, способностью выдерживать те или иные температуры в трех основных состояниях. И это абсолютная, объективная, количественная характеристика вещества (не относительная)!

Нулевое начало термодинамики гласит, что изолированная термодинамическая система с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия и остается в нем сколь угодно долго при условии неизменности внешних условий.

Но ведь это совершенно голословное утверждение, которое не выдерживает никакой критики, абсолютно лишено какой-либо научно-экспериментальной базы!

Начнем с того, что нет строгого определения термодинамического равновесия. То, определение, которое есть, совершенно не подходит ни к одной существующей в природе системе! Вот оно:

Термодинамическое равновесие — состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды.

В природе нет абсолютно изолированных систем, да еще таких, в которых остаются неизменными температура, давление, объём, энтропия! Такого просто не бывает, и быть не может!

Любой материальный объект во вселенной находится в движении, в состоянии обмена, взаимодействия с окружающей средой. Более того, внутри любой системы, сколь малой бы она ни была, происходят некие процессы, химические превращения, энергообмен, информационный обмен и т.д. Если этого нет, то и самого объекта не существует в материальном виде!

Таким образом, данное определение термодинамического равновесия никуда не годится. Надо дать правильное определение, более соответствующее действительности.

Состояние термодинамического равновесия (стабильности) возможно только в замкнутых системах (квантовых). Оно означает стремление к поддержанию равновесия с окружающей средой. Это обеспечивается с помощью обмена веществ, энергией и информацией.

Наличие состояния термодинамического равновесия в системе характеризует её как некую живую, самоорганизующуюся, сложную систему, стремящуюся к самосохранению и обладающую сознанием.

Само по себе такое состояние возникнуть не может. Т.е. если мы возьмем некоторое количество вещества (материи) и изолируем его от внешнего мира, то ни по прошествии ста, ни по прошествии миллиона лет термодинамическое равновесие в нем не возникнет!

Для успешного применения нового, квантового подхода в науке надо привыкнуть к мысли о том, что любая открытая система (любого размера) является частью некой замкнутой системы, а любая замкнутая система существует лишь благодаря взаимодействию внутренней структуры с внешним миром.

Без этого взаимодействия, стремящегося к поддержанию равновесия, невозможно само существование замкнутой системы.

Каждый атом представляет собой замкнутую систему, стремящуюся к равновесию с окружающей средой. Нейтральное состояние атома – это и есть состояние его термодинамического равновесия, при котором он не вступает в химические реакции с другими атомами. При этом его внутренняя гармония максимальна, т.е. все процессы, протекающие в нем, уравновешены и компенсируют друг друга, в нем нет избытка положительного или отрицательного заряда.

Когда по каким-то причинам атом утрачивает состояние внутреннего равновесия (потеря электрона, например), он становится электрически активным. Т.е. вступает в связи с другими атомами по принципу дополнительности. Если в нем избыток отрицательного заряда, то он ищет связь с положительными частицами, и наоборот.

Химическая активность зависит от положения элемента в таблице Менделеева. Она определяется валентностью атома. Самые химически активные элементы – это те, у которых внешняя оболочка либо содержит один электрон, либо почти заполнен (не хватает одного электрона). А неактивные в химическом плане элементы – это те, у которых внешняя электронная оболочка либо полностью, либо наполовину заполнена.

В состоянии термодинамического равновесия атом стремится поддерживать температуру в определенном диапазоне. И от этого зависит структура вещества.

Самое бесструктурное, хаотичное состояние – газовое. В этом состоянии вещества атомы стремятся как можно больше отдалиться друг от друга. Исходя из определения термодинамического равновесия, это объясняется стремлением атомов к равновесию с окружающей средой. Видимо, для данного вещества эта температура является слишком высокой и атомы, стремясь к охлаждению, разлетаются друг от друга. Говоря правильнее, вещество расширяется, стремясь к сохранению температуры.

При уменьшении температуры среды вещество наоборот – сжимается. При определенной концентрации происходит конденсация и переход в жидкое состояние. Это состояние вещества, при котором атомы находятся в плотном взаимодействии, не теряя свободы передвижения, сохраняя текучесть.

Если температуру понижать и дальше, то жидкость застывает, превращается в твердое вещество с определенной структурой. Сохранение структуры – это одна из «защитных реакций» вещества, стремящегося к сохранению объема.

Таким образом, мы видим, что переход в газообразное состояние обусловлен стремлением химического вещества к сохранению температуры, а в твердое состояние – стремлением к сохранению объема. В пределах возможного термодинамического равновесия со средой.

Если же верхняя (температурная) граница превышена, то термодинамическое равновесие нарушается, происходит разрушение, разложение системы на более простые составляющие.

Если это сложное химическое вещество, то оно разлагается на более простые. Если это чистое химическое вещество, то происходит распад атомов с выделением излучения, энергии. Это энергия разрушения.

Когда преодолевается нижняя граница, т.е. понижение температуры сопровождается увеличением давления, то теоретически возможен синтез нового вещества с новыми свойствами.

В биологии синтез возможен в случае увеличения численности популяции (вида) в условиях ограниченного пространства (ресурсов, пищи и т.д.). Именно эти два условия способствуют видообразованию и увеличению биоразнообразия в природе.