§52 Температура. Термометр. Загальний (нульовий) закон термодинаміки. Основна властивість температури. Шкала температур Цельсія. Абсолютна температура [8]

1. Одним із основних параметрів стану термодинамічної системи є температура. Якісно температуру можна визначити як величину, яка характеризує ступінь нагрітості тіл. Однак кількісна міра ступеня нагрітості, яка була б придатна для наукових досліджень, не може бути встановлена за допомогою чуттєвого сприйняття, яке для кожної людини є різним.

2. З’ясуємо, яким чином можна кількісно виміряти температуру. Відомо, що від ступеня нагрітості тіл або від температури залежать такі властивості, як, наприклад, об’єм, тиск, електричний опір і так далі. Тому за зміною цих властивостей можна визначити кількісно температуру.

 

 

Розглянемо улаштування пристрою для вимірювання ступеню нагрітості тіла – термометр. Нехай у запаяній трубці, з якої викачали повітря, ртуть займає деякий об’єм (див. рис. 52.1). Забезпечимо тепловий контакт термометра з тілом, ступінь нагрітості якого нам потрібно виміряти. Відомо, що об’єм ртуті залежить від ступеню нагрітості тіл. Тому, коли ступінь нагрітості тіла є іншим, ніж у ртуті, то об’єм ртуті буде змінюватися. Почекаємо деякий час поки рівень стовпчика ртуті не перестане зміщуватися. За висотою рівня ртуті можемо визначити кількісно ступінь нагрітості досліджуваного тіла. Таким чином, за висотою ртутного стовпчика можемо аналізувати ступінь нагрітості тіла або температуру кількісно. Зрозуміло, що улаштування термометрів може бути й іншим.

3. Розглянемо дослід. Візьмемо два тіла, температури яких різні (наприклад, за оцінкою висоти стовпчика ртуті у приладі, який описано вище). Будемо вважати, що вони утворюють ізольовану систему тіл. Таким чином, два тіла в ізольованій системі мають тепловий контакт тільки один з одним. Дослід показує, що одне тіло буде нагріватися, а інше охолоджуватися, поки в системі не припиняться будь-які макроскопічні зміни. При цьому стан, в якому припиняються макроскопічні процеси, характеризується однаковою температурою обох тіл. Тоді, застосовуючи термінологію, запозичену з механіки, говорять, що ці два тіла будуть знаходитись у термодинамічній рівновазі один з одним. Термодинамічна рівновага, як показує дослід, зрештою наступає не тільки у випадку теплового контакту двох, але й у випадку контакту скількох завгодно тіл.

Узагальнимо результати подібних експериментів: яким би не був початковий стан тіл ізольованої системи, в ній зрештою встановиться термодинамічна рівновага, яка характеризується припиненням усіх макроскопічних процесів і яка характеризується однаковою температурою у всіх частинах системи. Це положення відіграє важливу роль у термодинаміці й приймається в ній за постулат, який іноді називають загальним принципом (законом) термодинаміки.

4. З вищеописаних експериментів випливає основна властивість температури: у стані теплової рівноваги температура у всіх частинах системи має одне і теж значення.

Таким чином, температура є параметром системи, який в стані термодинамічної рівноваги має одне і теж значення у всіх частинах системи.

Температуру можна вимірювати за допомогою шкали Цельсія . У цьому разі температуру льоду, який тане, беруть за таку, що дорівнює , температуру води, яка кипить, такою, що дорівнює . Температура у проміжному стані визначається формулою

            ,           (52.1)

де  – об’єм у проміжному стані, наприклад, ртуті у приладі, який описано вище;  – об’єм, при температурі ;  – об’єм, при температурі .

Коли температуру льоду, який тане, взяти за , а температуру води, яка кипить за , то отримаємо шкалу Фаренгейта.

У фізиці є дуже зручною і нею часто користуються абсолютна шкала температур. Ця температура вимірюється в градусах Кельвіна (). Абсолютна температура пов’язана з температурою за шкалою Цельсія співвідношенням

            .           (52.2)

З цього співвідношення випливає, що один градус Кельвіна дорівнює одному градусу Цельсія, початок шкали температури Цельсія і абсолютної температури зміщено на 273,15 градусів.

Пізніше ми покажемо, що абсолютна температура є величиною, що прямо пропорційна середній кінетичній енергії поступального руху молекул речовини. У цьому полягає молекулярно-кінетичний зміст абсолютної температури.