Температура, термодинамическое равновесие и нулевой закон
Температура — это не просто показатель холода или тепла; это фундаментальная величина, которая позволяет понять, как физические системы достигают равновесия. В этом контексте нулевой закон термодинамики и его связь с измерением температуры играют ключевую роль, объясняя, как работают термометры и как можно установить надёжные шкалы измерений. Этот принцип, связывающий, казалось бы, изолированные тела, является основой для понимания тепловых явлений, которые оказывают влияние как на науку, так и на нашу повседневную жизнь. Присоединяйтесь к нам, чтобы изучить, как эта концепция придаёт смысл поведению тепла и энергии.
Цели обучения:
После завершения этого урока студент сможет:
- Понять концепцию температуры как величины, связанной с термодинамическим равновесием.
- Объяснить процесс тепловой релаксации и его необратимость в физических системах.
- Определить термодинамическое равновесие и его связь с температурой тел.
- Анализировать нулевой закон термодинамики как основу для измерения температуры.
- Описать принцип работы термометров и их зависимость от термометрических свойств.
- Идентифицировать физические свойства, используемые в различных типах термометров, такие как электрическое сопротивление и тепловое расширение.
СОДЕРЖАНИЕ:
Термодинамическое равновесие
Термометры и измерение температуры
На предыдущих уроках, рассматривая концепцию тепла, нам приходилось говорить о температуре, хотя этот термин почти не был объяснён. Теперь мы начнём заполнять этот пробел, рассматривая температуру и термодинамическое равновесие между физическими системами.
Термодинамическое равновесие
Когда два тела вступают в контакт, происходит обмен энергией. Как мы уже обсуждали, тепло — это «определённая тепловая энергия в процессе переноса». Кроме того, эксперименты показывают, что в отсутствие внешних факторов тепло всегда переходит от более горячего тела к более холодному. Таким образом, энергия, содержащаяся в телах, и их температура изменяются со временем.
Спустя некоторое время после контакта тепловой обмен прекращается. Когда это происходит, говорят, что тела находятся в термодинамическом равновесии, а их температура одинакова.
Первое, что мы замечаем в этом явлении, — это то, что оно является необратимым процессом. Два тела с разной температурой, находясь в контакте, всегда будут стремиться к тепловому равновесию. Однако обратный процесс невозможен, если не приложить внешнее воздействие. Этот процесс приближения к тепловому равновесию называется тепловой релаксацией.
Нулевой закон термодинамики
Эти идеи можно обобщить на несколько тел, то есть когда несколько тел находятся в тепловом равновесии, предполагается, что их температура одинакова. Эта идея формализована в нулевом законе термодинамики.
Если две системы каждая по отдельности находятся в тепловом равновесии с третьей, то они находятся в тепловом равновесии друг с другом.
Нулевой закон является основой для измерения температуры: мы помещаем тело, температуру которого хотим измерить, в контакт с другим телом, демонстрирующим известную зависимость свойств от температуры, и ждём, пока они достигнут теплового равновесия. Второе тело называют «термометром». Нулевой закон гарантирует, что если мы откалибровали это второе тело относительно другого стандартного термометра, то результаты будут всегда согласованными. По сути, нулевой закон можно выразить проще: «Термометры работают».
Термометры и измерение температуры
На основании того, что мы изучили до сих пор, можно выделить следующие аспекты, связанные с термометрами:
- Для правильной работы термометра его тепловая ёмкость должна быть значительно меньше тепловой ёмкости объекта, температуру которого мы измеряем. В противном случае процесс измерения может повлиять на температуру объекта.
- Термометры основаны на использовании термометрических свойств для измерений. Галилей использовал водяной термометр, основанный на тепловом расширении, Фаренгейт — термометры на основе спирта и ртути. Другие методы включают наблюдение за изменением электрического сопротивления проводника при изменении температуры, использование теплового расширения газов (на основе уравнения состояния идеального газа) и т. д.
Термометрические свойства
Все эти методы используют измеримые свойства, такие как электрическое сопротивление, давление или размеры, которые обычно зависят от сложной функции температуры. Хотя ни одно из этих свойств не является полностью линейным в полном диапазоне, нам не обязательно рассматривать весь диапазон; если диапазон достаточно узкий, то можно использовать почти линейную зависимость.
Проблема абсолютной температуры
Проблема с этими методами заключается в том, что измерения температуры зависят от шкалы термометрического свойства. Они относительны. Отсюда возникает вопрос: существует ли абсолютная мера температуры? В XIX веке эта проблема была решена с использованием аргумента на основе «машины Карно». Позже было установлено, что температуру можно определить статистически, что и используется сегодня. Однако для полноценного рассмотрения этой идеи необходимо сначала изучить понятия микро- и макросостояний.