Термодинамічна температура

Термодинамічна температура – єдина функція стану термодинамічної системи, яка характеризує напрямок самовільного теплообміну між матеріальними тілами.

Термодинамічна температура в фізиці завжди позначається буквою T, вимірюється в кельвінах (позначається K) і відраховується виключно за абсолютною термодинамічною шкалою під назвою шкал Кельвіна. Абсолютна температура в термодинаміки є основною шкалою у фізиці і в термодинамічних рівняннях.

Молекулярно-кінетична гіпотеза, зі свого боку, безпосередньо з’єднує абсолютну температуру із середнім коефіцієнтом кінетичної енергією прямолінійного руху молекул ідеального газу в умовах постійної рівноваги.

Історія вимірювання температури

Вимірювання температури в термодинаміки пройшло досить довгий і важкий шлях в своєму розвитку. Так як температура неможливо виміряти безпосередньо, то для її вимірювання вчені застосовували властивості термометричні речовин, що знаходилися в функціональної залежності від коефіцієнта температури. На цій основі в результаті були створені різні температурні шкали, що отримали назву емпіричних, а виміряна за допомогою їх температура носить назву емпіричної.

Вагомими недоліками емпіричних шкал вважається наявність розбіжності і мінливості значень температур для різних термометричні тіл: як між реперними матеріальними точками, так і за їх межами.

Таке явище пов’язане з відсутністю в природі універсального речовини, здатного зберігати свої властивості в діапазоні всіляких температур. У 1848 році Томсон вирішив за допомогою експериментів вибрати найбільш підходящий градус температурного середовища таким чином, щоб в її межах ефективність теплової машини була при будь-яких умовах однаковою.

Надалі, в березні 1854 року, дослідники використовували зворотну функцію Карно для створення нової шкали в термодинаміки, що не залежить від властивостей, активно діючих в системі термометричні тіл. Однак, практичне впровадження цієї ідеї виявилася неможливою. На початку XIX століття в пошуках «абсолютного» пристрою для вимірювання температури наука знову повернулася до теорії ідеального газового термометра, що базується на законах речовин Гей-Люссака і Шарля.

Газовий термометр протягом тривалого періоду часу був єдиним методом відтворення і закріплення абсолютної температури. Нові напрямки в розробці ідеальної температурної шкали засновані на реалізації рівнянь Стефана ─ Больцмана в безконтактної термометрії і формули Гаррі (Харрі) Найквиста ─ в контактній.

Температура як інтенсивна властивість

Щоб визначити температуру, як інтенсивне властивість будь-якої системи, необхідно наповнити бочку холодною водою з інших відер. Сума обсягів рідини в відрах дорівнює обсягу бочки. Однак скільки б холодної води ні помістити в бочку, гарячої води при цьому неможливо отримати. Таке міркування не смішно і не наївно, як може здатися з першого разу, адже досвід не очевидний сам собою. Це один з найважливіших законів природи, до якого люди просто звикли.

Фізика – велике торжество людського розуму, але вона практично завжди розвивалася в зв’язку з дослідженням здаються тривіальними.

Наприклад, з кількох коротких палиць можливо швидко скласти одну довгу, якщо з’єднати їх встик між собою. Обсяг і довжина – основні властивості системи. Але тепер бажано додати до них площа і масу, які виступають в якості прикладів екстенсивних властивостей. Такі величини поступово складаються, а на основі закону складання базується і метод їх подальшого вимірювання.

Визначення екстенсивної величини – це порівняння її з однорідною щодо концепції величиною.

Вимірювати температуру необхідно так, як вимірюють площу, довжину, обсяг, масу, не можна: температури ніколи не складаються. Одиниця температури, якої можна відразу вимірювати будь-яку температурну шкалу, просто неможлива. Температура – яскравий приклад інтенсивних властивостей концепції, тому до неї закон складання непридатний.

Наприклад, якщо розділити залізний стрижень на кілька частин, температура кожної з них залишиться колишньою, а ось довжина, відповідно, зміниться.

Безпосередньо встановити конкретне числове співвідношення між різними температурами безглуздо і неможливо. Тому мета вчених виміряти температуру без використання методу, придатним для екстенсивних величин виявилася нездійсненною.

Основи побудови термодинамічної шкали температур

Шкала температур в термодинаміки може бути побудована принципово на підставі гіпотези Карно, яка передбачає:

  • незалежність показника корисної дії теплового ідеального двигуна від самої природи матеріального тіла;
  • самостійність від конструкції мотора;
  • залежність від температур холодильника і нагрівача.

Таке співвідношення можливо використовувати для побудови абсолютної термодинамічної температури. Якщо ізометричне явище циклу Карно здійснювати при температурі потрійної точки води, то коефіцієнт обсягу рухомих речовин зміниться. Встановлена ​​таким чином шкала називається у фізиці термодинамічної шкалою Кельвіна. На жаль, точність і надійність вимірювання кількості теплоти низька, що не дозволяє реалізувати вищевказаний метод на практиці.

Абсолютна температурна шкала може бути представлена ​​в якості такого собі термометричного елемента ідеального газу. Якщо вимірювати тиск цієї речовини, близького за властивостями до ідеального, розташованого в герметичній посудині постійного обсягу, то таким способом вчені визначають температурну шкалу, яка називається ідеально-газової. Перевагою цієї шкали вважається той факт, що тиск ідеального газу змінюється лінійно з температурою.

У різних тематичних виданнях з термодинаміки наводяться докази того, що виміряна за ідеально-газової шкалою температура повністю збігається з термодинамічною температурою. Однак між цими сітками є принципова різниця з якісної точки зору.

Тільки термодинамічна шкала є абсолютно самостійною і не залежить від властивостей термометричного тіла.

Як вже було раніше сказано, точне відтворення термодинамічної шкали завжди пов’язане з серйозними труднощами. Тому спочатку необхідно ретельно вимірювати кількість одержуваної теплоти в ізотермічних процесах теплового двигуна.

Подальше відтворення термодинамічної температурної сітки в діапазоні від 10 до 1337 K можливо за допомогою газового термометра. При більш високих температурах виникає дифузія реального газу в стінках резервуара, а при температурах в декілька тисяч градусів елементи розпадаються на атоми. Для вимірювання температурних показників за межами можливостей газових термометрів в силу вступають спеціальні методи вимірювання.

ПОДІЛИТИСЯ: