Температура и термодинамическое равновесие

 

Температура характеризует степень нагретости тела. Представление о температуре вошло в науку через посредство наших чувственных восприятий, таких как теплый, холодный, горячий. Однако количественная мера степени нагретости, необходимая для науки не может быть установлена с помощью чувственных восприятий, поскольку они являются субъективными. В основу количественного определения и построения точной температурной шкалы должны быть положены объективные физические явления, основанные на изменении физических свойств тел от температуры.

В феноменологическом учении о теплоте температура вводится через понятие теплового или термического равновесия. Рассмотрим эти понятия на основе конкретных примеров. Если привести в соприкосновение холодное и горячее тело, то, как показывает опыт, горячее тело будет охлаждаться, а холодное тело нагреваться. Это будет продолжаться до тех пор, пока их температуры не сравняются. В этом случае говорят, что тела находятся в термическом равновесии. Термическое равновесие наступает не только в случае соприкосновении двух тел, но и в случае соприкосновении сколько угодно большого количества тел. Можно говорить только о температуре термически равновесной системы.

Температура одна из макроскопических характеристик состояния тел. Это понятие не имеет смысла для систем состоящих из одного или небольшого числа атомов или молекул.

Измерение температуры основано на следующем факте. Для суждения об одинаковости или различия температур двух тел A и B нет необходимости обязательно приводить их в тепловой контакт друг с другом. Можно воспользоваться для этой цели третьим телом С, приводимым последовательно в контакт с телами A и B. Если температура тела C равна температурам тел A и B, то тела A и B имеют одинаковую температуру, равную температуре тела C. Допустим, что тело C настолько мало, что при приведении в контакт с телами A и B оно не меняет заметно температуры этих тел, хотя изменения температуры самого тела C могут быть значительными. Такое тело называется термоскопом. О постоянстве или изменении температуры термоскопа можно судить по изменению различных величин, характеризующих его физическое свойство. Как показывает опыт, практически все физические свойства тел изменяются с изменением температуры. Так при нагревании большинство тел расширяется, возрастает электрическое сопротивление металлов и т. д. Все подобные явления могут быть использованы для построения термоскопа. Но мы ещё не определили температуру количественно. Для этого надо установить температурную шкалу, с помощью которого каждая температура характеризуется определённым числом. Проградуированный по определённому правилу термоскоп превращается в термометр. Для построения шкалы термометра нужно знать две реперные точки, для которых температура считается известной. До 1954 года за реперные точки брали нормальную точку кипения воды Tk и нормальную точку плавления льда Tпл. Принимались по определению, что разность температур этих точек Tk - Tnл = 100о. Тогда единица измерения температуры 1 градус в данной шкале будет определяться как (ak – aпл )/100, где ak и anл – значения соответствующей термометрической величины a в реперных точках. Если температуру плавления принять за 0о, а температуру кипения воды за 100о, то мы имеем дело со шкалой Цельсия. В случае шкалы Рюмера температура плавления льда принимается за 0о, температура кипения воды 80о, один градус по шкале Рюмера определяется как (ak – aпл )/80.

Экспериментальные исследования показали, что тройная точка воды (Ттр) обладает лучшей воспроизводимостью, чем нормальная точка плавления льда и кипения воды. Поэтому принято международное соглашение строить температурную шкалу по одной реперной точке – тройной точке воды. В так называемой абсолютной термодинамической шкале температур или шкале Кельвина принимается по определению, что температура этой точки равно точно 273,16 градусов. Тогда один градус для данного термометра будет определяться как aтр/273,16. Таким образом, в зависимости от выбора термометрической величины a, можно определить бесконечное множество эмпирических температурных шкал. Они будут совпадать между собой только в основных реперных точках, а в других точках шкалы совпадать не будут. Это означает, что различные термометры, например, ртутный или спиртовый при изменении температуры одного и того же тела будут давать, как правило, разные показания. Для устранения такой неоднозначности можно было бы условно принять какой-либо определённый термометр за основной и по нему градировать все остальные термометры.

 

Давление

Из опыта известно, что жидкость или газ, находящийся в сосуде, оказывает воздействие на стенки сосуда. Причём сила испытываемая стенкой сосуда со стороны газа или жидкости тем больше, чем больше площадь её поверхности. Чтобы не пользоваться величиной, зависящей от такого случайного фактора, как размер стенки, принято характеризовать действие газа или жидкости на стенку не силой, а давлением P, которые определятся отношением силы, действующей на стенку перпендикулярно к её поверхности к величине её площади

.

Свойство газа оказывать давление на стенки содержащего его сосуда – одно из основных свойств газа, поэтому величина давления является одной из главных характеристик газа.

В системе СИ давление единицей измерения давления является 1 Паскаль (Па), причём Па=Н/м2. В системе СГС [P]=Дин/см2=бар.