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.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)