Термодинамическая шкала температур

Недостижимость абсолютного нуля.

Второе начало термодинамики можно использовать для построения термодинамической шкалы температур. Так как КПД цикла Карно не зависит от рабочего тела, то для измерения температуры можно использовать обратимый цикл Карно. Некоторое стандартное тело в определенном состоянии (например, вода, кипящая при атмосферном давлении) выбирается в качестве нагревателя. Другое стандартное тело (например, лед. тающий при атмосферном давлении) выбирается в качестве холодильника. Разность температур Т_н и Т_х (сами температуры пока неизвестны) делится на произвольное число частей и устанавливается значение градуса (скажем, на сто частей). Осуществляется идеальный цикл Карно с каким-либо веществом. Измеряется количество теплоты Q₁, заимствованной от нагревателя, и количество теплоты Q₂, отданной холодильнику.

Согласно выражению для КПД тепловой машины:

откуда

.

Учитывая, кроме того, условие разности температур Т_н–Т_х=100^о, получаем два уравнения, определяющие температуры Т_н и Т_х. Если теперь взять некоторое вещество при неизвестной температуре Т и использовать его в качестве нагревателя при прежнем холодильнике (температура Т_х), то, проводя цикл Карно и измеряя Q₁^/ и Q₂^/, можно написать: . Отсюда находится искомая температура. Построенная таким образом шкала температур, как выяснилось, практически совпадает со шкалой, получаемой при измерениях с газовым термометром.

Из уравнения следует, что нулем температуры является температура, при которой количество теплоты Q₂=0.

В этом случае КПД цикла Карно должен равняться единице. Так как большим он стать не может (по первому началу термодинамики), то эта температура наинизшая. Напомним, что абсолютный нуль температуры - это t=–273,15^°. Согласно второму началу термодинамики невозможно получить КПД тепловой машины, равный единице, поэтому можно дать еще одну формулировку второго начала термодинамики: абсолютный нуль температуры принципиально недостижим, хотя к нему можно приблизиться сколь угодно близко. В настоящее время уже получена температура, составляющая 0,0001 К.

Дата добавления: 2014-11-18