- Температура
- Тепловое равновесие
- Измерение температуры
- знать, что такое температура
- знать, что такое тепловое равновесие
- знать, что такое термометр
- знать основные температурные шкалы
- Что называют внутренней энергией тела?
- Какой физической величиной характеризуется теплопередача между телами?
- Сформулируйте первый закон термодинамики.
Температура
В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с физическими явлениями, которые связаны с нагреванием и охлаждением тел. Нам известно, что при нагревании холодная вода вначале становится теплой, а затем горячей. Такими словами, как «холодный», «тёплый» и «горячий», мы указываем на различную степень нагретости тел. Для количественного описания такого различия, а именно для описания степени нагретости тела, в физике введено понятие температуры.
Температура — это характеристика степени нагретости тела.
Перед тем как перейти к рассмотрению теплового равновесия, рассмотрим различные виды термодинамических систем. Если ни над одним из тел рассматриваемой системы не совершают работу внешние силы, то такую систему называют механически изолированной. Аналогично если тела системы не обмениваются теплом с окружающей средой, то её называют теплоизолированной.
Если термодинамическая система является и механически изолированной, и теплоизолированной, то её называют полностью изолированной.
Тепловое равновесие
Если термодинамическая система является полностью изолированной, то при соприкосновении по-разному нагретых тел более холодное начинает нагреваться, а более горячее — охлаждаться. Такой процесс называется теплопередачей (обмен тепла). В результате этого процесса температуры тел системы выравниваются и, наконец, наступает момент, когда все соприкасающиеся тела имеют одинаковую температуру. Такое состояние называется тепловым равновесием. Следует отметить, что с течением времени в полностью изолированной термодинамической системе не только выравниваются температуры всех тел, но и другие макроскопические параметры (объём, давление и т. д.), также прекращается течение химических реакций и фазовые переходы вещества. О такой системе говорят, что она пришла в состояние термодинамического равновесия.
Термодинамическое (тепловое) равновесие — это состояние, в котором не происходит никаких изменений термодинамических параметров — температуры, давления, плотности и т. д.
Дадим ещё одно определение температуры с точки зрения теплового равновесия: температура — это физический параметр, имеющий одинаковое значение во всех частях системы тел, которые находятся в состоянии теплового равновесия.
Из вышеизложенного следует один из фундаментальных законов, который носит название нулевого начала (закона) термодинамики.
Нулевое начало (закон) термодинамики
Если термодинамическая система является полностью изолированной, то она с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия.
Измерение температуры
Рис. 1. Термометр
Из жизненного опыта нам известно, что наиболее распространённым способом измерения температуры является измерения с помощью жидкостного термометра. В устройстве жидкостного термометра используется свойство расширения жидкостей при нагревании. В качестве рабочего тела обычно применяется ртуть, спирт, глицерин. Чтобы измерить температуру тела, термометр приводят в контакт с этим телом; между телом и термометром будет осуществляться теплопередача до установления теплового равновесия. Масса термометра должна быть значительно меньше массы тела, так как в противном случае процесс измерения может существенно изменить температуру тела. Помимо жидкостного существуют и другие виды термометров:
- биметаллические, использующие деформацию биметаллической пластинки при нагреве;
- термометры сопротивления, использующие увеличение (уменьшение) электрического сопротивления при нагреве;
- термоэлектрические термометры, в которых при нагреве одного из концов проводника возникает разность потенциалов.
Существуют различные температурные шкалы. Например, шкала Цельсия связывает начало отсчёта с температурой таяния чистого льда при нормальном атмосферном давлении , конечное значение шкалы связано с температурой кипения воды при норм. атм. давлении . В физике принято использовать абсолютную шкалу Кельвина.
Шкала Кельвина (абсолютная шкала температур). В качестве нуля принят так называемый абсолютный нуль температуры, то есть температура, ниже которой невозможно ничего охладить (минимальный предел температуры). В шкале Кельвина нулю соответствует температура абсолютного нуля. В шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует . Связь между шкалой Цельсия и шкалой Кельвина следующая:
.
При решении задач термодинамики будем использовать абсолютную температуру , которая измеряется в кельвинах. Также существует шкала Фаренгейта, где за нуль принята температура, зафиксированная в самую холодную зиму в Голландии, вторая точка шкалы — это температура смеси воды со льдом при нормальном атмосферном давлении, равная .
Абсолютный нуль температуры невозможно достичь, как недостижимы и отрицательные температуры по шкале Кельвина. Это утверждение представляет собой следствие третьего начала (закон) термодинамики.
Пример 1
В качестве упражнения потренируемся в переводе температуры из одних шкал в другие. Перевести 20 °C в шкалу Кельвина и Фаренгейта.
Решение
1. Чтобы перевести градусы Цельсия в кельвины, необходимо к температуре в Цельсиях добавить 273:
,
где — температура по шкале Цельсия; — абсолютная температура в кельвинах.
.
2. Запишем соотношение шкалы Фаренгейта и Цельсия: при переводе из шкалы Цельсия в шкалу Фаренгейта исходную величину умножают на 9/5 и прибавляют 32:
;
.
Ответ: ; .
Упражнение 1
1. Переведите 40 °C в шкалу Кельвина и Фаренгейта.
2. Переведите 320 К в градусы Цельсия.
Контрольные вопросы
1. Что называют температурой тела?
2. Какую систему называют полностью изолированной?
3. Что называют тепловым равновесием?
4. Сформулируйте нулевое начало (нулевой закон) термодинамики.
5. Что такое термометр и как он работает?
6. Какие температурные шкалы вы знаете?
Упражнение 1
1. 313 К; 104 °F
2. 47 °C
