Температура и термодинамическое равновесие

Источником первых сведений о температуре[3] являются ощущения тепла и прохлады, жары и холода, со всеми непрерывными усилениями и ослаблениями этих ощущений.

Понятие температуры в термодинамике связано с нулевым началом термодинамики. Как показывает опыт, изолированная макроскопическая система с течением времени приходит в состояние термодинамического равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может. Это положение является содержанием нулевого начала термодинамики.

Процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное состояние называется релаксацией. Время перехода системы из неравновесного состояния в равновесное состояние называется временем релаксацией.

Более того опыт показывает, что если две равновесные системы А и В привести в тепловой контакт, то независимо от равенства или различия у них внешних параметров они или остаются по-прежнему в состоянии термодинамического равновесия или равновесие в них нарушается и с течением времени обе системы переходят в другое равновесное состояние.

Кроме того, если имеются три равновесные системы А, В, С и если системы А и В порознь, находятся в термодинамическом равновесии с системой С, то они находятся в состоянии термодинамического равновесия и между собой.

Это показывает, что состояние термодинамического равновесия определяется не только внешними параметрами, но и ещё одной величиной, характеризующей её внутреннее состояние. Эта величина называется температурой. Как следует из вышеизложенного текста, температура является внутренним интенсивным термодинамическим параметром.

Изложенное положение о существовании температуры является нулевым началом термодинамики, которое можно сформулировать следующим образом: Все равновесные внутренние параметры системы являются функциями внешних параметров и температуры.

На самом деле закон, что все тела в состоянии термодинамического равновесия имеют одинаковую температуру, является приближённым. Он неверен в релятивистской термодинамике. Например, при наличии сферически-симметричного гравитационного поля температура, в состоянии термодинамического равновесия, измеряемая внешним наблюдателем, понижается при перемещении от центра к периферии.

2.2 Температура и её измерение

В физике важно не только определить физическую величину, но и научиться сравнивать подобные физические величины. В быту часто сравнивают температуру по тепловым ощущениям. Действительно, если мы одну руку поместим в один сосуд с водой, а другую в другой сосуд с водой, то по тепловым ощущениям мы можем сравнить их температуру. Необходимо только, что бы руки до измерения находились в одних условиях и тепловые ощущения их были, при этом, одинаковы. Однако руки использовать не всегда удобно.

Что бы сравнить температуры двух тел А и В, можно использовать третье тело – С. это тело должно быть достаточно маленьким, чтобы заметно не менять температуру измеряемых тел. Это тело С можно привести в начале в контакт с телом В, а затем с телом А и посмотреть как будет меняться состояние равновесия этого тела.

Достаточно малое тело, служащее для сравнения температур различных тел носит название термоскопа.

При помощи термоскопов было установлено, что процессы плавления, кипения, затвердевания, возгонки при нормальном давлении происходят при постоянных температурах. Соответствующие температуры называются соответственно нормальной температурой плавления, нормальной температурой кипения и т.д. Неизменные, легко воспроизводимые температуры называются температурными точками, то есть нормальная температура плавления воды – это температурная точка и т. д. Другим примером температурной точки является тройная точка воды. Состояние, при котором пар воды, вода и лёд находятся друг с другом в равновесии.

Люди заметили, что некоторые экстенсивные величины (линейные размеры тел, объем, электрическое сопротивление и т.д.) зависят от температуры. То есть в разных термодинамических равновесных состояниях они разные. Эти зависимости экстенсивных величин от температуры можно использовать для градуировки термоскопа. Проградуированный термоскоп называется термометром.

Основной частью термометра является термометрическое тело, приводимое в контакт с телом, температуру которого надо измерить. Экстенсивная физическая величина, служащая индикатором температуры, называется термометрической величиной. При нагревании эта величина должна меняться монотонно. Изменению термометрической величины при изменении температуры ставится в соответствие какая-то функция, например, линейная. Для определения неизвестных констант в этой функции определённым температурным точкам приписываются определенные температуры. Температурные точки, которым приписаны определённые температуры, называются реперными точками.

Разные термометрические величины по-разному зависят от температуры, поэтому температурные шкалы, сделанные при помощи разных термометров с разными термометрическими величинами, нужно между собой согласовать. Температура, отсчитываемая по какому-либо термометру, называется эмпирической, соответствующая температурная шкала – эмпирической температурной шкалой.

Дата добавления: 2014-01-04