Что такое термодинамическая температура. Абсолютная термодинамическая температура. Тождественность термодинамической шкалы температур со шкалой идеально-газового термометра

Термодинамическая температура в физике всегда обозначается буквой T, измеряется в кельвинах (обозначается K) и отсчитывается исключительно по абсолютной термодинамической шкале под названием шкал Кельвина. Абсолютная температура в термодинамике является основной шкалой в физике и в термодинамических уравнениях.

Молекулярно-кинетическая гипотеза, со своей стороны, непосредственно соединяет абсолютную температуру со средним коэффициентом кинетической энергией прямолинейного движения молекул идеального газа в условиях постоянного равновесия.

История измерения температуры

Измерение температуры в термодинамики прошло достаточно долгий и трудный путь в своём развитии. Так как температура невозможно измерить непосредственно, то для её измерения ученые применяли свойства термометрических веществ, находившиеся в функциональной зависимости от коэффициента температуры. На этой основе в итоге были созданы различные температурные шкалы, получившие название эмпирических, а измеренная посредством их температура носит название эмпирической.

Замечание 1

Весомыми недостатками эмпирических шкал считается наличие несовпадения и непостоянства значений температур для различных термометрических тел: как между реперными материальными точками, так и за их границами.

Такое явление связано с отсутствием в природе универсального вещества, способного сохранять свои свойства в диапазоне всевозможных температур. В 1848 году Томсон решил с помощью экспериментов выбрать наиболее подходящий градус температурной среды таким образом, чтобы в её пределах эффективность тепловой машины была при любых условиях одинаковой.

В дальнейшем, в марте 1854 года, исследователи использовали обратную функцию Карно для создания новой шкалы в термодинамике, не зависящей от свойств, активно действующих в системе термометрических тел. Однако, практическое внедрение этой идеи оказалась невозможной. В начале XIX столетия в поисках «абсолютного» устройства для измерения температуры наука вновь вернулась к теории идеального газового термометра, базирующейся на законах веществ Гей-Люссака и Шарля.

Газовый термометр в течение длительного периода времени был единственным методом воспроизведения и закрепления абсолютной температуры. Новые направления в разработке идеальной температурной шкалы основаны на реализации уравнений Стефана ─ Больцмана в бесконтактной термометрии и формулы Гарри (Харри) Найквиста ─ в контактной.

Температура как интенсивное свойство

Рисунок 2. Термодинамическая температура. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Чтобы определить температуру, как интенсивное свойство любой системы, необходимо наполнить бочку холодной водой из других ведер. Сумма объемов жидкости в ведрах равна объему бочки. Однако сколько бы холодной воды ни поместить в бочку, горячей воды при этом невозможно получить. Такое рассуждение не смешно и не наивно, как может показаться с первого раза, ведь опыт не очевиден сам собой. Это один из важнейших законов природы, к которому люди просто привыкли.

Определение 2

Физика - великое торжество человеческого разума, но она практически всегда развивалась в связи с исследованием кажущихся тривиальностей.

Например, из нескольких коротких палок возможно быстро составить одну длинную, если соединить их встык между собой. Объем и длина – основные свойства системы. Но теперь желательно добавить к ним площадь и массу, которые выступают в качестве примеров экстенсивных свойств. Такие величины постепенно складываются, а на основе закона сложения базируется и метод их дальнейшего измерения.

Замечание 2

Определение экстенсивной величины - это сравнение ее с однородной в отношении концепции величиной.

Измерять температуру необходимо так, как измеряют площадь, длину, объем, массу, нельзя: температуры никогда не складываются. Единица температуры, которой можно сразу измерять любую температурную шкалу, просто невозможна. Температура – яркий пример интенсивных свойств концепции, поэтому к ней закон сложения неприменим.

Пример 1

Например, если разделить железный стержень на несколько частей, температура каждой из них останется прежней, а вот длина, соответственно, изменится.

Непосредственно установить конкретное числовое соотношение между различными температурами бессмысленно и нереально. Поэтому цель ученых измерить температуру без использования метода, пригодным для экстенсивных величин оказалась невыполнимой.

Основы построения термодинамической шкалы температур

Рисунок 3. Абсолютная температура в термодинамике. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Шкала температур в термодинамике может быть построена принципиально на основании гипотезы Карно, которая предполагает:

• независимость показателя полезного действия теплового идеального двигателя от самой природы материального тела;
• самостоятельность от конструкции мотора;
• зависимость от температур холодильника и нагревателя.

Такое соотношение возможно использовать для построения абсолютной термодинамической температуры. Если изометрическое явление цикла Карно осуществлять при температуре тройной точки воды, то коэффициент объема движущихся веществ изменится. Установленная таким образом шкала называется в физике термодинамической шкалой Кельвина. К сожалению, точность и надежность измерения количества теплоты низкая, что не позволяет реализовать вышеуказанный метод на практике.

Абсолютная температурная шкала может быть представлена в качестве некого термометрического элемента идеального газа. Если измерять давление этого вещества, близкого по свойствам к идеальному, расположенного в герметичном сосуде постоянного объёма, то таким способом ученые определяют температурную шкалу, которая называется идеально-газовой. Преимуществом этой шкалы считается тот факт, что давление идеального газа изменяется линейно с температурой.

В различных тематических изданиях по термодинамике приводятся доказательства того, что измеренная по идеально-газовой шкале температура полностью совпадает с термодинамической температурой. Однако между этими сетками есть принципиальная разница с качественной точки зрения.

Замечание 3

Только термодинамическая шкала является абсолютно самостоятельной и не зависит от свойств термометрического тела.

Как уже было ранее сказано, точное воспроизведение термодинамической шкалы всегда сопряжено с серьезными трудностями. Поэтому изначально необходимо тщательно измерять количество получаемой теплоты в изотермических процессах теплового двигателя.

Дальнейшее воспроизведение термодинамической температурной сетки в диапазоне от 10 до 1337 K возможно посредством газового термометра. При более высоких температурах возникает диффузия реального газа в стенках резервуара, а при температурах в несколько тысяч градусов элементы распадаются на атомы. Для измерения температурных показателей за пределами возможностей газовых термометров в силу вступают специальные методы измерения.

Давление газа, заключенного в постоянный объем, не является пропорциональным температуре, отсчитанной по шкале Цельсия. Это ясно, например, из таблицы, приведенной в предыдущем параграфе.. Если при давление газа равно 1, 37 атм, то при оно равно 1,73 атм. Температура, отсчитанная по шкале Цельсия, увеличилась вдвое, а давление газа увеличилось только в 1,26 раза. Ничего удивительного в этом нет, ибо шкала Цельсия установлена условно, без всякой связи с законами расширения газа. Можно, однако, пользуясь газовыми законами, установить такую шкалу температур, что давление газа будет пропорционально температуре, измеренной по этой шкале.

В самом деле, пусть при некоторой температуре давление газа равно а при некоторой другой температуре давление газа равно . По закону Шарля

Разделив эти равенства почленно, получим

Величину можно рассматривать как значение температуры, отсчитанное по новой температурной шкале, единица которой такая же, как и у шкалы Цельсия, а за нуль принята точка, лежащая на ниже точки, принятой за нуль шкалы Цельсия, т. е. точки таяния льда. Нуль этой новой шкалы называют абсолютным нулем. Это название обусловлено тем, что, как было доказано английским физиком Вильямом Томсоном Кельвином (1824-1907), ни одно тело не может быть охлаждено ниже этой температуры. Эту новую шкалу называют термодинамической шкалой температур. Таким образом, абсолютный нуль указывает температуру, равную , и представляет собой температуру, ниже которой не может быть ни при каких условиях охлаждено ни одно тело.

Температура представляет собой термодинамическую температуру тела, имеющего по шкале Цельсия температуру, равную . Обычно термодинамическую температуру обозначают буквой . Единица термодинамической шкалы температур носит название кельвин и является одной из основных единиц СИ. Кельвин совпадает с градусом Цельсия.

Между температурой , отсчитанной по шкале Цельсия, и термодинамической температурой имеются следующие соотношения:

Из сказанного вытекает, что равенство (234.1) можно представить в виде

Давление данной массы газа при постоянном объеме пропорционально термодинамической температуре. Это - другое выражение закона Шарля.

Формулой (234.2) удобно пользоваться и в том случае, когда давление при неизвестно. Рассмотрим пример. Пусть при давление газа в баллоне . Каково давление при температуре ? В данном случае термодинамические температуры газа равны соответственно

Пользуясь законом Шарля, можем написать

234.1. Манометр на баллоне с кислородом в помещении с температурой воздуха, равной , показывал давление 95 атм. Этот баллон вынесли в сарай, где на другой день при температуре показание манометра было 85 атм. Возникло подозрение, что часть кислорода из баллона была израсходована. Проверьте, правильно ли это подозрение.

Это означает, что теперь мы можем найти температуру тела, определив количество тепла, которое поглощается обратимой машиной, работающей в интервале между температурой тела и температурой в один градус (фиг. 44.9) Если машина забирает из котла в семь раз больше тепла, нежели поступает в одноградусный конденсор, то температура котла равна семи градусам и т. д. Таким образом, измеряя количество тепла, поглощаемого при разных температурах, мы определяем температуру. Полученная таким образом температура называется абсолютной термодинамической температурой и не зависит от свойств вещества. Теперь мы будем пользоваться исключительно этим определением температуры.

Теперь нам ясно, что если у нас имеются две машины, из коих одна работает при перепаде температур Т 1 и один градус, а другая - Т 2 и один градус, и обе они выделяют при единичной температуре одинаковое количество тепла, то поглощаемое ими тепло должно удовлетворять соотношению

Но это означает, что если какая-нибудь обратимая машина поглощает тепло Q 1 при температуре Т 1 , а выделяет тепло Q 2 при температуре Т 2 , то отношение Q 1 к Т 1 равно отношению Q 2 к Т 2 . Это справедливо для любой обратимой машины. Все, что будет дальше, содержится в этом соотношении: это центр термодинамической науки.

Но если это все, что есть в термодинамике, то почему же ее считают такой трудной наукой? А попробуйте описать поведение какого-нибудь вещества, если вам даже заранее известно, что масса вещества все время постоянна. В этом случае состояние вещества в любой момент времени определяется его температурой и объемом. Если известны температура и объем вещества, а также зависимость давления от объема и температуры, то можно узнать и внутреннюю энергию. Но кто-нибудь скажет: «А я хочу поступить иначе. Дайте мне температуру и давление и я скажу вам, каков объем. Я могу считать объем функцией температуры и давления и искать зависимость внутренней энергии именно от этих переменных». Трудности термодинамики связаны именно с тем, что каждый может подойти к задаче с того конца, с какого вздумает. Нужно только сесть и выбрать определенные переменные, а потом уж твердо стоять на своем, и все станет легко и просто.

Сейчас приступим к выводам. В механике мы подошли ко всем нужным нам результатам, исходя из центра механического мира F=ma. Такую же роль в термодинамике сыграет только что найденный нами принцип. Но какие выводы можно сделать, исходя из этого принципа?

Ну начнем. Сначала скомбинируем закон сохранения энергии и закон, связывающий Q 1 и Q 2 , чтобы найти коэффициент полезного действия обратимой машины. Первый закон говорит, что W=Q 1 - Q 2 . Согласно нашему новому принципу,

Поэтому работа равна

Это соотношение характеризует эффективность машины, т. е. количество работы, произведенное при заданной затрате тепла. Коэффициент полезного действия пропорционален перепаду температур, при котором работает машина, деленному на более высокую температуру:

Коэффициент полезного действия не может быть больше единицы, а абсолютная температура не может быть меньше нуля, абсолютного нуля. Таким образом, раз Т 2 должна быть положительной, то коэффициент полезного действия всегда меньше единицы. Это наш первый вывод.

Термодинамическая температура обозначается буквой , измеряется в Кельвинах (K) {\displaystyle (K)} и отсчитывается по абсолютной термодинамической шкале (Кельвина). Абсолютная термодинамическая шкала является основной шкалой в физике и в уравнениях термодинамики.

Молекулярно-кинетическая теория, со своей стороны, связывает абсолютную температуру со средней кинетической энергией поступательного движения молекул идеального газа в условиях термодинамического равновесия:

1 2 m v ¯ 2 = 3 2 k T , {\displaystyle {\frac {1}{2}}m{\bar {v}}^{2}={\frac {3}{2}}kT,}

где m {\displaystyle m} ─ масса молекулы, v ¯ {\displaystyle {\bar {v}}} ─ средняя квадратичная скорость поступательного движения молекул , ─ абсолютная температура, k {\displaystyle k} ─ постоянная Больцмана .

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

Абсолютная температура ➽ Физика 10 класс ➽ Видеоурок

2.1.3 Абсолютная температура

Термодинамика | наконец-то понимаем как определить абсолютную температуру и энтропию

Субтитры

История

Измерение температуры прошло долгий и трудный путь в своём развитии. Так как температура не может быть измерена непосредственно, то для её измерения использовали свойства термометрических тел, которые находились в функциональной зависимости от температуры. На этой основе были разработаны различные температурные шкалы, которые получили название эмпирических , а измеренная с их помощью температура называется эмпирической. Существенными недостатками эмпирических шкал являются отсутствие их непрерывности и несовпадение значений температур для разных термометрических тел: как между реперными точками, так и за их пределами. Отсутствие непрерывности эмпирических шкал связано с отсутствием в природе вещества, которое способно сохранять свои свойства во всём диапазоне возможных температур. В 1848 г. Томсон (лорд Кельвин) предложил выбрать градус температурной шкалы таким образом, чтобы в её пределах эффективность идеальной тепловой машины была одинаковой. В дальнейшем, в 1854 г. он предложил использовать обратную функцию Карно для построения термодинамической шкалы, не зависящей от свойств термометрических тел. Однако, практическая реализация этой идеи оказалась невозможной. В начале XIX века в поисках «абсолютного» прибора для измерения температуры снова вернулись к идее идеального газового термометра, основанного на законах идеальных газов Гей-Люссака и Шарля. Газовый термометр в течение долгого времени был единственным способом воспроизведения абсолютной температуры. Новые направления в воспроизведении абсолютной температурной шкалы основаны на использовании уравнения Стефана ─ Больцмана в бесконтактной термометрии и уравнения Гарри (Харри) Найквиста ─ в контактной.

Физические основы построения термодинамической шкалы температур.

1. Термодинамическая шкала температур принципиально может быть построена на основании теоремы Карно, которая утверждает, что коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя не зависит от природы рабочего тела и конструкции двигателя, и зависит только от температур нагревателя и холодильника.

η = Q 1 − Q 2 Q 1 = T 1 − T 2 T 1 , {\displaystyle \eta ={\frac {Q_{1}-Q_{2}}{Q_{1}}}={\frac {T_{1}-T_{2}}{T_{1}}},}

где Q 1 {\displaystyle Q_{1}} – количество теплоты полученной рабочим телом (идеальным газом) от нагревателя, Q 2 {\displaystyle Q_{2}} – количество теплоты отданное рабочим телом холодильнику, T 1 , T 2 {\displaystyle T_{1},T_{2}} – температуры нагревателя и холодильника, соответственно.

Из приведённого выше уравнения следует соотношение:

Q 1 Q 2 = T 1 T 2 {\displaystyle {\frac {Q_{1}}{Q_{2}}}={\frac {T_{1}}{T_{2}}}}

Это соотношение может быть использовано для построения абсолютной термодинамической температуры . Если один из изотермических процессов  цикла Карно Q 3 {\displaystyle Q_{3}} проводить при температуре тройной точки воды (реперная точка), установленной произвольно ─ T 3 = 273 , 16 K , {\displaystyle T_{3}=273,16K,} то любая другая температура будет определяться по формуле T = 273 , 16 Q Q 3 {\displaystyle T=273,16{\frac {Q}{Q_{3}}}} . Установленная таким образом температурная шкала называется термодинамической шкалой Кельвина . К сожаленью, точность измерения количества теплоты невысока, что не позволяет реализовать вышеописанный способ на практике.

2. Абсолютная температурная шкала может быть построена, если использовать в качестве термометрического тела идеальный газ. В самом деле, из уравнения Клапейрона вытекает соотношение

T = p V R {\displaystyle T={\frac {pV}{R}}}

Если измерять давление газа, близкого по свойствам к идеальному, находящегося в герметичном сосуде постоянного объёма, то таким способом можно установить температурую шкалу, которая носит название идеально-газовой. Преимущество этой шкалы состоит в том, что давление идеального газа при V = c o n s t {\displaystyle V=const} изменяется линейно с температурой. Поскольку даже сильно разреженные газы по своим свойствам несколько отличаются от идеального газа, то реализация идеально - газовой шкалы связана с определёнными трудностями.

3. В различных учебниках по термодинамике приводятся доказательства того, что температура, измеренная по идеально-газовой шкале, совпадает с термодинамической температурой. Следует, однако, оговориться: несмотря на то, что численно термодинамическая и идеально-газовая шкалы абсолютно идентичны, с качественной точки зрения между ними есть принципиальная разница. Только термодинамическая шкала является абсолютно независимой от свойств термометрического вещества.

4.Как уже было указано, точное воспроизведение термодинамической шкалы, а также идеально-газовой, сопряжено с серьёзными трудностями. В первом случае необходимо тщательно измерять количество теплоты, которая подводится и отводится в изотермических процессах идеального теплового двигателя. Такого рода измерения неточны. Воспроизедение термодинамической (идеально-газовой) температурной шкалы в диапазоне от 10 до 1337 K {\displaystyle K} возможно с помощью газового термометра. При более высоких температурах заметно проявляется диффузия реального газа сквозь стенки резервуара, а при температурах в несколько тысяч градусов многоатомные газы распадаются на атомы. При ещё больших температурах реальные газы ионизируются и превращаются в плазму, которая не подчиняется уравнению Клапейрона. Наиболее низкая температура, которая может быть измерена газовым термометром, заполненным гелием при низком давлении равна 1 K {\displaystyle 1K} . Для измерения температур за пределами возможностей газовых термометров используют специальные методы измерения. Подробнее см. Термометрия .

Термодинами́ческая Температу́рная шкала́ (Кельвина шкала), абсолютная шкала температур, не зависящая от свойств термометрического вещества (начало отсчета - абсолютный нуль температуры). Построение термодинамической температурной шкалы основано на втором начале термодинамики и, в частности, на независимости кпд Карно цикла от природы рабочего тела. Единица термодинамической температуры - кельвин (К)

Статистический вес и энтропия.

Энтропия - в естественных науках мера неупорядоченности системы, состоящей из многих элементов. В частности, в статистической физике - мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния.

Где - приращение энтропии; - минимальная теплота, подведённая системе; - абсолютная температура процесса.

Статистический вес в термодинамике и статистической физике - число способов, которыми может быть реализовано данное макроскопическое состояние системы. Статистический вес связан с энтропией S системы соотношением Больцмана ,

Где k = R/N = 1,38*10 -23 Дж/К

где k - фундаментальная мировая постоянная Больцмана;
R = 8,31 Дж/(моль*К) - молярная газовая постоянная;
N = 6,06*10 23 моль -1 - число Авогадро;
Р - статистический вес: число способов осуществления данного состояния.

Параметр S - энтропия - служит мерой рассеяния энергии Вселенной, а Р - характеризует любые самопроизвольные изменения, эта величина относится к миру атомов, определяющих скрытый механизм изменения.

Билет

Равновесное состояние. Диаграммы состояний. Уравнение состояния. Уравнение состояния разреженных газов. Идеальный газ. Уравнение состояния не разреженных газов (уравнение Ван-дер-Ваальса)

Равновесное состояние - состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды. В общем, эти величины не являются постоянными, они лишь флуктуируют (колеблются) возле своих средних значений. Если равновесной системе соответствует несколько состояний, в каждом из которых система может находиться неопределенно долго, то о системе говорят, что она находится в метастабильном равновесии. В состоянии равновесия в системе отсутствуют потоки материи или энергии, неравновесные потенциалы (или движущие силы), изменения количества присутствующих фаз. Отличают тепловое, механическое, радиационное (лучистое) и химическое равновесия.

1)равновесие достигается в какой-либо части (или частях) относительно большой по размерам системы - локальное равновесие,

2)неполное равновесие достигается вследствие разности скоростей релаксационных процессов, протекающих в системе - частичное равновесие,

3)имеют место как локальное, так и частичное равновесие.

В неравновесных системах происходят изменения потоков материи или энергии, или, например, фаз.

Диаграммы состояний.

диаграмма равновесия, фазовая диаграмма, графическое изображение равновесных фазовых состояний одно- или многокомпонентных систем при разных значениях параметров, определяющих эти состояния. Диаграммы состояния изображают фазовый состав системы при разных концентрациях компонентов (Х), температурах (Т) и давлении (Р).

Диаграммы являются пространственными. Мерность пространства зависит от числа независимых переменных, функцией которых является фазовый состав. Диаграмма состояния может быть двумерной, трехмерной и многомерной. Переменные (Р, Т, Х) являются координатами, в которых строится диаграмма. Каждая точка диаграммы состояния (фигуративная точка) указывает на фазовый состав вещества при заданных значениях термодинамических параметров (координат этой точки). Когда система состоит только из одного компонента, диаграмма состояния представляет собой трехмерную пространственную фигуру, построенную в трех прямоугольных координатных осях, по которым откладывают температуру (Т), давление (Р) и мольный объем (v). На практике часто применяют проекцию диаграммы состояния на одну из координатных плоскостей, обычно на плоскость Р - Т.

Разреженные газы.

Разреженным в физике называют такое состояние газа, при котором средняя длина свободного пробега молекул превышает линейные размеры сосуда, содержащего газ. Это состояние называют также вакуумом. Поведение разреженных газов отличается целым рядом особенностей. Поскольку в вакууме молекулы газа пробегают расстояние от одной стенки до другой без столкновений, то не существует давления одной части газа на другую; можно говорить лишь о давлении газа на стенки сосуда. В разреженных газах не существует внутреннего трения и явления теплопроводности в обычном смысле. Физический вакуум при комнатных температурах реализуется в газах при давлении менее 10 -5 мм рт. ст., если газ находится в объеме с линейными размерами порядка метра.
В технике под вакуумом понимают состояние газа при давлении ниже атмосферного. Степень технического вакуума оценивается величиной давления остаточного газа.

Идеальный газ.

Идеальный газ - математическая модель газа, в которой предполагается, что:

1) потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией;

2) суммарный объём молекул газа пренебрежимо мал;

3) между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги;

4) время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями.

В расширенной модели идеального газа частицы, из которого он состоит, имеют форму упругих сфер или эллипсоидов, что позволяет учитывать энергию не только поступательного, но и вращательно-колебательного движения, а также не только центральные, но и нецентральные столкновения частиц.

Уравнение состояния идеального газа(уравнение Клайперона)

Уравнение состояния не разреженных газов (уравнение Ван-дер-Ваальса ) ,

Билет.

Механическая форма передачи энергии телу. Работа. Тепловая форма передачи энергии телу. Теплота. Первое начало термодинамики. Равновесно совершемая работа, равновесно подводимая теплота