Аннотация.
        Анализируются современные определения термодинамической температуры, присвоенные ей в СИ размерность и единица и взаимосвязь между размерностями термодинамической температуры и постоянной Больцмана. Выдвинута новая трактовка понятия "термодинамическая температура", связанная с идеей о наличии единичного теплового заряда. Эта трактовка уточняет физический смысл термодинамической температуры, ее размерность и единицу, устраняя существующие сегодня недостатки.

        Существующие определения термодинамической температуры.
        БСЭ определяет термодинамическую температуру, как “физическую величину, характеризующую состояние термодинамического равновесия макроскопической системы“. В справочнике по физике [1] температура равновесной системы определяется как ”мера интенсивности теплового движения ее молекул (атомов, ионов)”. Словарь естественных наук (Глоссарий.ру) наиболее конкретен: температура − это ”физическая величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия”.
        Общим в этих трех определениях является то, что термодинамическая температура характеризует кинетическую энергию частиц этой системы. Мера интенсивности движения в [1] – это та же кинетическая энергия движущихся частиц.
        В СИ термодинамическая температура отсчитывается по термодинамической шкале температур. Эта шкала основана на втором начале термодинамики и увязана с циклом Карно и обратимым термодинамическим процессом. В справочнике [2] сказано: ”В качестве единственной реперной точки термодинамической температурной шкалы взята тройная точка воды”. В настоящее время действует международная температурная шкала МТШ-90, в которой в качестве реперных точек выбраны дополнительно свойства других веществ.
        В статистической физике (молекулярно-кинетической теории газов) термодинамическая температура T входит в уравнение для средней кинетической энергии поступательного движения W_k атома одноатомного идеального газа
W_k = mû²/2 = 3kT/2 , ( 1 )
где m – масса атома; û – среднеквадратичная скорость атома; k – постоянная Больцмана.
        Во введении к сайту Информационного портала ВНИИМ им. Менделеева [3] сказано следующее: ”Поскольку понятие температуры тесно связано с усредненной кинетической энергией частиц, было бы естественным и в качестве единицы ее измерения использовать джоуль. Однако, энергия теплового движения частиц очень мала по сравнению с джоулем, поэтому использование этой величины оказывается неудобным. Тепловое движение измеряется в других единицах, которые получаются из джоулей посредством переводного коэффициента k”. И далее: ”Температура − это искусственно введенный в уравнение состояния параметр”.
        Так что причины того, что стали использовать понятие ”термодинамическая температура”, чисто исторические и метрологические. Из приведенных выше цитат следует, что единицей температуры должна быть единица энергии, даже если используются переводные коэффициенты. Известно также [4], что сам Л.Больцман измерял температуру в единицах энергии, что соответствует выбору значения постоянной Больцмана k = 1. Более того, сама постоянная Больцмана введена не им, а в 1900 г. М.Планком, и М.Планком же рассчитано значение постоянной Больцмана k = 1,346.10^-16 эрг/град.


        Недостатки существующих в СИ размерности и единицы термодинамической температуры.
        Размерность Θ и единица измерений К (Кельвин) присвоены термодинамической температуре в СИ априорно, а численные значения температуры определяются по шкале, составленной для идеального газа и обратимого процесса. По этому поводу хорошо сказано в работе [5]: ”Если температуре приписать свою особую размерность, например – Θ, как это сделано в СИ, то практически теряется возможность выяснения ее физической сути (то, в чем измеряют, само не измеримо)”.
        Очень образно охарактеризована эта неопределенная ситуация в монографии [6]: ”Введение температуры, условной шкальной величины, в число основных явно преследует практическую цель – потрафить привычности и широкой распространенности термометра как измерительного прибора. Температура определяет кинетическую энергию молекул вещества и количество тепла. Введение основной единицы – Кельвина – приводит к сложной и труднопонимаемой физически размерности теплоёмкости L²MT⁻²Θ⁻¹, то есть энергии, поделенной на температуру… Между тем совершенно ясно, что физическая природа температуры – энергетическая, а единица Кельвин условна”.

        История поиска приемлемого решения.
        В 60-х годах ХХ века А.Вейником [7] была предложена концепция теплового заряда для упорядоченной тепловой формы движения. В работе [8] А. Вейник назвал тепловую форму движения вермической (от немецкого слова die Wärme - теплота, тепло), тепловой заряд – вермиором, а абсолютную температуру – вермиалом. Эта идея была повторена и развита впоследствии в работах [9-14], а также положена в основу систематизации физических величин.
        В тепловой форме движения температурный напор ΔТ (он же – разность температурных потенциалов) является производной физической величиной, зависящей от приращения теплового заряда dΘ. Применим к тепловой форме движения в рамках системного подхода уравнение
ΔТ = dQ/dΘ , ( 2 )
где dQ – частный случай энергетического воздействия на систему (в тепловой форме движения – это приращение теплообмена). Если учесть, что в СИ размерность температурного напора равна Θ, то, согласно уравнению (2), единица теплового заряда должна быть равной Дж/К.
        Посмотрим на сложившуюся ситуацию с другой стороны. Согласно уравнению состояния для упорядоченной тепловой формы движения энергетическое воздействие (изменение теплообмена)
dQ = ΔТ dΘ . ( 3 )
        В уравнении (3) под приращением теплового заряда dΘ будем понимать вошедшее в систему количество координаты состояния упорядоченной тепловой формы движения, не отождествляя его с полным приращением теплообмена. И тогда мы придём к парадоксальному, на первый взгляд, выводу о том, что основная идея теории теплорода оказывается верной, если под теплородом понимать не общее количество вошедшей теплоты, а количество вошедшей тепловой энергии, ассоциированное с приращением теплового заряда. Кстати, именно так и понимал эту ситуацию С.Карно, он не отождествлял тепловую энергию с полным приращением теплообмена.
        В соответствии с такой интерпретацией тепловой поток в тепловой форме движения рассматривается не как энергия всего теплообмена, а как энергия упорядоченной части теплового потока, то есть как поток теплового заряда. Именно тепловой заряд и может накапливаться в системе. Поэтому в тепловой форме движения энергоёмкость системы следует рассматривать, как ёмкость по отношению к тепловому заряду, а не как ёмкость по отношению к количеству теплоты.

        Современные размерность и единица термодинамической температуры и постоянной Больцмана.
        Постоянная Больцмана k имеет в СИ такую же размерность, что и теплоёмкость, она является в СИ производной физической величиной. Однако в естественной системе единиц М.Планка единица постоянной Больцмана является единицей основной физической величины.
        В физике часто (например, в [1]) постоянную Больцмана определяют, как отношение универсальной газовой постоянной R к постоянной Авогадро. А учебник по физике [13] определяет постоянную Больцмана, как долю газовой постоянной R, приходящуюся на одну молекулу газа. При этом надо иметь в виду, что значение газовой постоянной R получено экспериментально и приемлемо только для идеального газа.
        А.Вейник [7, 8] высказал ещё одну очень важную идею о том, что тепловой заряд, как координата состояния тепловой формы движения, является квантуемой величиной, и выдвинул гипотезу о существовании единичного теплового заряда подобно единичному электрическому заряду (электрону) в электрической форме движения. Он назвал его термоном, обозначил символом τ и подсчитал его значение. Это значение оказалось в 3 раза большим значения постоянной Больцмана, если для вычисления значения термона энергию моля газа разделить на число Авогадро [8]. Если же воспользоваться для определения значения термона законом смещения Вина [8], то это значение оказывается в 2,82 или в 3,83 раза больше постоянной Больцмана, в зависимости от того, чему соответствует средняя частота кривой распределения спектральной интенсивности излучения абсолютно черного тела.
        Поскольку постоянная Больцмана трактуется в молекулярно-кинетической теории газов, как кинетическая энергия поступательного движения двух степеней свободы одной молекулы идеального газа, то термон можно трактовать, как кинетическую энергию шести степеней свободы молекулы (например, трех степеней свободы при прямолинейном движении и трех степеней свободы при вращении). Если термон трактовать так, то постоянную Больцмана k можно считать одной третью термона τ, и тогда суммарную кинетическую энергию из уравнения (1) следует записать так:
W_k = 3kT/2 = τT/2 . ( 5 )
        При систематизации физических величин [9, 11, 13] энергия является основной физической величиной с размерностью Е. Правило размерностей в уравнении (5) при условии, что размерность температуры равна Θ (при единице Кельвин), соблюдается, если размерности k и τ равны
dim τ = dim k = EΘ^-1 , ( 6 )
откуда единицы k и τ равны Дж/К.
        В системе величин ЭСВП [12] отсутствуют размерность Θ и единица Кельвин для термодинамической температуры. Значит, в этой системе должна быть другая трактовка температуры.

        Иная трактовка размерности и единицы термодинамической температуры.
        Число атомов однородной системы является числом структурных элементов этой системы. В статье [15] обосновывается тезис о том, что число структурных элементов должно быть основной физической величиной, размерность числа структурных элементов обозначается символом N, а единицей числа структурных элементов предложено считать штуку (или квант).
        Ещё А.Вейник [8] вводя понятие ”вермическое вещество”, указал на то, что оно обладает в микромире ”квантовыми, порционными, зернистыми” свойствами. В работе [16] также развит ”штучный подход” (в терминологии автора этой работы), приводящий к аналогичным выводам. А в статье [15] приводится обзор дискуссии по этой теме, указывающий на то, что у идеи введения в системы единиц единицы ”штука” (под разными названиями) имеется немало сторонников среди метрологов, а также немало полезных практических приложений. Использование этого метода в термодинамике – одно из них.
        Тепловая энергия одной молекулы, как единичного теплового заряда, − это энергия одного термона. И тогда тепловая энергия всех молекул системы равна энергии одного термона τ, умноженной на число единичных тепловых зарядов (термонов). А размерность термона − это размерность тепловой энергии всех молекул системы, приходящейся на полное число молекул в системе, то есть это EN^-1. Такая же размерность должна быть и у постоянной Больцмана k, отличающейся от термона только тем, что она в три раза меньше. Так что при такой трактовке вместо EΘ^-1 можно записать
dim τ = dim k = EN^-1 . ( 7 )
Единица, соответствующая этой размерности, − Дж/шт (или Дж/квант).
        Из такой трактовки размерности термона вытекает новая трактовка термодинамической температуры Т. Ведь для выполнения правила размерностей в уравнении (5) термодинамическую температуру Т следует трактовать, как количество термонов в однородной системе. И тогда температура Т приобретает размерность N с единицей штука (квант).
        Это, на первый взгляд, неожиданно, но единица штука (квант) и единица Кельвин друг другу не противоречат. Собственно говоря, единица Кельвин, равная градусу Цельсия, − это тоже квант, только равный одной сотой доле интервала температур между точкой таяния льда и точкой кипения воды. Если бы, например, было бы вдруг решено взять одну пятидесятую долю этого интервала, то значение Кельвина оказалось бы в два раза больше. Так что на деле в СИ еще в середине прошлого века сделали основной физической величиной один из вариантов числа структурных элементов и назвали его Кельвин. Хотя единица Кельвин − это разновидность единицы штука (квант).
        В СИ такой единицы, как штука, пока нет, штука в СИ может являться единицей лишь для безразмерной величины. Если же иметь в виду, что Кельвин − это разновидность единицы штука, то получается, что единицу Кельвин в СИ присвоили единице безразмерной величины. (Впрочем, с подобным мы сталкиваемся и тогда, когда пытаемся понять, почему в СИ безразмерная с точки зрения этой системы единиц физическая величина – угол поворота – имеет единицу радиан.)
        Из того, что термодинамическая температура Т является суммой тепловых зарядов системы, следует вывод, что она характеризует свободную энергию системы в отличие от существующей в системе энергии связи. Чем больше энергия связи, тем меньше температура Т и наоборот, чем меньше связана энергия, тем больше термодинамическая температура системы Т.
 
        Вывод.
        Анализ содержания данной статьи приводит к такому выводу. Пока что не удается выбраться из того заколдованного круга, в котором бродит метрология термодинамики по вине авторитарного решения, принятого когда-то метрологами. Как сказано в [3]: ”...энергия теплового движения частиц очень мала по сравнению с джоулем, поэтому использование этой величины оказывается неудобным”.
        Пусть так, единица Кельвин действительно удобна и привычна. Но для систематизации физических величин необходимо определить истинный физический смысл термодинамической температуры, ее истинные размерность и единицу.
Выход видится в том, чтобы ввести в физику величину тепловой заряд Θ с присвоением ему собственной размерности и собственной единицы. А о приемлемом названии этой величины и её единицы можно договориться.
        Изменения в терминологии, размерностях и единицах физических величин в тепловой форме движения все равно неизбежны. Можно, конечно, оставить всё, как есть, но это будет равносильно затягиванию болезни, которой уже давно страдает термодинамика.

        Литература.

        1. Яворский Б.М., Детлаф А.А., Справочник по физике. 3-е изд. – М.: Наука, Физматгиз, 1990. – 624 с.
        2. Чертов А.Г., Физические величины. – М.: Высшая школа. – 1990. – 336 с.
        3. Информационный портал по измерению температуры, 2007-2011, Введение − Понятие температуры и температурной шкалы. URL: http://temperatures.ru/mtsh/mtsh.php
        4. Томилин К.А., Планковские величины. – 2001. – URL: http://www.ihst.ru/personal/tomilin/papers/tom00phil.pdf
        5. Чуев А.С., Система физических величин. Текстовая часть электронного учебного пособия. – 2007. – URL: http://www.chuev.narod.ru/
        6. Конторов Д.С., Михайлов Н.В., Саврасов Ю.С. Основы физической экономики. (Физические аналогии и модели в экономике.) – М.: Радио и связь. – 1999. – 184 с.
        7. Вейник А.И., Термодинамика. 3-е изд. – Минск, Вышейшая школа. – 1968. – 464 с.
        8. Вейник А.И., Термодинамика реальных процессов. – Минск: «Навука i технiка» . – 1991. – 576 с.
        9. Коган И.Ш., О возможном принципе систематизации физических величин. –
“Законодательная и прикладная метрология”, 1998, 5, с.с. 30-43.
        10. Ермолаев Д.С., Обобщенные законы физики или физика для начинающих. – 2003. – URL: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/4959.html
        11. Ермолаев Д.С., Обобщенные законы физики применительно к теплофизике. – 2004, URL: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/7442.html
        12. Коган И.Ш., Не пришло ли время отказаться от применения терминологии и уравнений теории теплорода? – 2004. – URL: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/7646.html
        13. Коган И.Ш., Обобщение и систематизация физических величин и понятий. – Хайфа, Изд. Рассвет. – 2006. – 207 с.
        14. Савельев И.В., Курс общей физики (в 5 книгах). – М.: АСТ Астрель. – 2005
        15. Коган И.Ш., Число структурных элементов как основная физическая величина. – “Мир измерений”. – 2011. – 8. – с.с. 46-50 (см. также URL: http://physicalsystems.narod.ru/index08.04.html ).
        16. Ермолаев Д.С., Тепловой заряд и обобщение теплофизики. – М: «Компания Спутник+», Актуальные проблемы современной науки. – №4(43) . – 2008. – с.89. – (см. также URL: http://icreator.ru/physics/tz0807.htm ).