Термодинамічний зміст температури. Способи вимірювання температури

· Термодинамічна рівновага. Температура

· Способи вимірювання температури. Термометри

· Абсолютна шкала температур

Термодинамічна рівновага. Температура. Як було раніше вказано у молекулярній фізиці одночасно використовують термодинамічні та статистичні методи дослідження. Згідно термодинамічного підходу, будь-яке макроскопічне тіло або групу макроскопічних тіл називають термодинамічною системою. Ідеальний газ є термодинамічною системою. Величини, які характеризують стан термодинамічної системи без урахування молекулярної будови тіл (об’єм, тиск, температура) називають відповідно макроскопічними (або термодинамічними) параметрами.

Температура – це фізична величина, про яку ви дізналися з раннього дитинства, як про ступінь нагрітості тіл (холодне, тепле, гаряче); як характеристику теплої або холодної в різні пори року погоди; як показник стану здоров’я тощо. Побутове поняття температури часто перешкоджає глибокому розумінню її фізичного змісту. Це одна з не простих фізичних величин, до розуміння якої людство йшло протягом багатьох віків.

Температура як термодинамічна величина характеризує тепловий стан системи,як молекулярно-кінетична величина – інтенсивність хаотичного руху молекул.

Численні спостереження і досліди доводять, що для будь-яких взаємодіючих макроскопічних тіл або групи тіл (термодинамічної системи) при незмінних зовнішніх умовах настає стан теплової рівноваги.

Тепловою або термодинамічною рівновагою називають такий стан, коли всі макроскопічні параметри як завгодно довго лишаються незмінними.

Отже, коли між двома тілами встановлюється тепловий контакт і зовнішні умови не змінюються, то тіла самі по собі переходять у стан теплової рівноваги.

Термодинамічна система може перебувати в різних станах теплової рівноваги. У кожному з цих станів температура має певне значення. Інші величини можуть мати в стані теплової рівноваги різні (але сталі) значення. Так, об’єми різних частин системи і тиски всередині їх при наявності твердих перегородок можуть бути різними. Якщо в кімнату ви внесете знадвору м’яч, наповнений стиснутим повітрям, то через деякий час температура повітря в м’ячі і в кімнаті зрівняється. А тиск повітря в м’ячі все одно буде більшим, ніж у кімнаті.

У всіх частинах системи, що перебуває в стані теплової рівноваги, температура має одне й те саме значення.

Способи вимірювання температури. Термометри. Властивість температури набувати однакового значення для тіл, що перебувають у стані теплової рівноваги покладено в основу її вимірювання. Прилади для вимірювання температури називають термометрами (мал.14).

Щоб виміряти температуру певного тіла, його приводять у контакт з термометром і чекають, поки теплообмін між тілом і термометром припиниться. Термометр фіксує власну температуру, яка дорівнює температурі тіла, з яким він перебуває в тепловій рівновазі.

Конструктивно всі термометри складаються з вимірювального елемента та температурної шкали. Щоб виготовити термометр, можна скористатись зміною будь-якої макроскопічної величини залежно від температури: об’єму, тиску, електричного опору тощо. Найчастіше на практиці використовують рідинні термометри (мал. 14,а), дія яких ґрунтується на залежності об’єму рідини (ртуті або спирту) від зміни температури.

Для градуювання термометра скляний балон, що переходить у капіляр, заповнений зафарбованим спиртом або ртуттю, опускають в лід, що тане за нормальних умов (0 °С, р = 1,01·10⁵ Па = 760 мм. рт. ст.). Після того, як між термометром і льодом наступить теплова рівновага, рух рідини в капілярі припиниться. Навпроти цього рівня на шкалі роблять відмітку 0 °С, після чого термометр переносять в киплячу дистильовану воду за нормального тиску. Після припинення підняття рідини в капілярі термометра роблять відмітку 100 °С, потім відрізок між 0 і 100 °С ділять на 100 рівних відрізків - градусів. Це так звана температурна шкала Цельсія.

Мал. 14. Термометри різних конструкцій: а – рідинний, б – електричний, в –біметалевий

Дія електричних термометрів (мал. 14, б) ґрунтується на залежності сили струму від температури.

Електричними термометрами інших конструкцій температуру можна вимірювати і на основі залежності опору провідника (резистора) або напівпровідника (термістора) від температури. Ці термометри дають змогу виконувати вимірювання дистанційно; у безконтактних термометрах (пірометрах) для вимірювання температури використовують залежність випромінювання тіла від температури. За допомогою пірометрів вимірюють температуру тіл від +300 до +6000 °С і вище (наприклад, температуру зірок).

Дія біметалевих термометрів (мал. 14, в) ґрунтується на залежності деформації біметалевої пластинки від температури.

У газових термометрах про зміну температур судять за зміною тиску газу, що знаходиться в скляній посудині сталого об'єму (мал.15). За постійних значень об`єму V і кількості молекул N тиск газу, який вимірюють манометром, може бути мірою температури газу, а отже, будь-якого тіла, з яким газ знаходиться у тепловій рівновазі.

Мал. 15. Модель газового термометра

У безконтактних термометрах (пірометрах) для вимірювання температури використовують залежність випромінювання тіла від температури. За допомогою пірометрів вимірюють температуру тіл від 300 до 6000 °С і вище (наприклад, температуру зірок). В оптичних пірометрах порівнюють випромінювання на певній довжині хвилі тіла і спеціальної лампи, яскравість якої можна регулювати, змінюючи значення струму. Зображення тіла і нитки лампи проектують на одну площину. Підбираючи значення струму в лампі, досягають однакової яскравості зображень. За напругою, прикладеною до лампи, знаходять температуру тіла. Індикатор в оптичному пірометрі - око експериментатора.

Абсолютна температурна шкала. У фізиці користуються переважно так званою абсолютною температурою і шкалою Кельвіна. У 1848 р. видатний англійський фізик У. Томсон (лорд Кельвін) (1824 – 1907) запропонував точку 0 ºС температурної шкали Цельсія змістити до 273,15 кельвінів. Таку шкалу називають абсолютною температурною шкалою або термодинамічною шкалою температур.

Саме в одиницях цієї шкали – «кельвінах» – і вимірюють температуру в системі СІ. Одиниця виміру температури Т кельвін (К) є однією із семи основних одиниць цієї системи: [ Т ]=1 К.

Головна перевага цієї шкали: відсутність від’ємних температур.

Кельвін

Перехід від шкали Цельсія до абсолютної температурної шкали такий: , але інтервал температур 1 °С = 1 К (мал.16).

Мал.16. Температурні шкали

Градуювання цієї шкали виконують за точкою 0 К і 273,15 К. Температуру 0 К називають абсолютним нулем, за шкалою Цельсія йому відповідає -273,15 ºС. Це температура, при якій має припинитися рух молекул. Однак доведено, що навіть за абсолютного нуля молекулярний рух не припинявся б – молекули здійснюють коливальні рухи. Досягти абсолютного нуля неможливо – це один із основних законів природи. Тим більше неможливо дістати температуру, нижчу за абсолютний нуль. Чим ближча температура охолоджуваного тіла до абсолютного нуля, тим важче проходить подальше охолодження. Наразі за допомогою сучасних методів вдалося досягти найнижчої температури 0, 0001 К.

Дайте відповідь на запитання

1. Які характерні ознаки стану теплової рівноваги? Наведіть приклади встановлення теплової рівноваги тіл, які оточують вас у повсякденному житті.

2. Якою фізичною величиною характеризується стан теплової рівноваги?

3. Що таке температура і що вона характеризує?

4. Поясніть принцип побудови температурних шкал Цельсія і Кельвіна. Запишіть формули, що виражають співвідношення між значеннями температури, вимірюваної за шкалами Цельсія і Кельвіна.