Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Великий французский ученый А. Пуанкаре выразил это следующими словами: «Поскольку мы не в состоянии дать общее определение энергии, закон сохранения энергии следует рассматривать просто как указание на то, что существует нечто, остающееся постоянным в любом физическом процессе. К каким бы открытиям ни привели нас будущие эксперименты, мы заранее знаем, что и тогда будет нечто, обладающее способностью сохраняться, и это нечто мы можем называть энергией».
Внутренняя энергия. Все тела состоят из атомов и молекул, находящихся в непрестанном тепловом, хаотическом движении. Поэтому даже если тело в целом неподвижно и имеет нулевую потенциальную энергию, оно тем не менее обладает энергией, связанной с внутренним движением составляющих его атомов и молекул и с их взаимодействием. Иначе говоря, любому коллективу атомов или молекул всегда присуща некоторая внутренняя энергия. Если рассматривать внутреннюю структуру вещества, то всегда можно конкретизировать формы и носителя этой внутренней энергии. Но термодинамика сознательно отвлекается от внутренней структуры изучаемых систем, поэтому в термодинамике внутреннюю энергию необходимо рассматривать как особую форму энергии. При этом, разумеется, полезно помнить, что в конечном счете внутренняя энергия всегда связана с хаотическим тепловым движением образующих систему частиц и их взаимодействием друг с другом. Поэтому иногда внутреннюю энергию называют тепловой энергией.
Внутренняя энергия зависит от интенсивности теплового движения. Для характеристики этой интенсивности служит особая
§ 14. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
119
физическая величина — температура. Температура играет важную роль не только в термодинамике, но и вообще в физике.
Температура. Представление о температуре, как и представление о силе, вошло в науку через наши чувственные восприятия. Наши ощущения позволяют различать качественные градации степени на-гретости: холодный, теплый, горячий. Однако в основу количественного определения температуры и построения температурной шкалы должны быть положены объективные физические закономерности, свободные от субъективизма чувственных восприятий. В феноменологическом подходе к тепловым явлениям температура вводится через понятие термодинамического равновесия. К понятию температуры можно прийти на основе конкретных примеров и последующего обобщения.
Если два тела, температуры которых при оценке на основе наших ощущений сильно различаются (например, раскаленный кусок металла и холодная вода), привести в соприкосновение, то горячее тело будет охлаждаться, а холодное — нагреваться до тех пор, пока в этой системе не прекратятся всякие макроскопические изменения. В таком случае говорят, что эти тела пришли в состояние термодинамического равновесия и имеют одинаковую температуру. Опыт показывает, что в состояние равновесия в конце концов приходит любое число соприкасающихся тел. Если какие-то два тела находятся в равновесии с третьим телом, то они находятся в равновесии между собой.
Поэтому для суждения о равенстве или различии температур двух тел А и В необязательно приводить их в соприкосновение друг с другом. Можно воспользоваться вспомогательным третьим телом С, приводимым поочередно в контакт с телами А и В. Таким способом можно убедиться только в равенстве или в различии температур тел А и В. Для того чтобы изменить их температуры, нужно установить температурную шкалу, т. е. по определению ввести правила, по которым каждой температуре ставится в соответствие определенное число. В выборе таких правил имеется большой произвол, необходимо лишь обеспечить взаимную однозначность температур и сопоставляемых им чисел.
Измерение температуры. Термометр. При создании температурной шкалы нужно основываться на каком-либо свойстве вещества, зависящем от температуры. Опыт показывает, что практически все физические свойства тел изменяются с температурой. Так, при нагревании многие тела расширяются, электрическое сопротивление металлов возрастает с повышением температуры, а полупроводников убывает, и т. д. Все подобные явления в принципе можно использовать для создания приборов для измерения температуры — термометров.
120
IV. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Основной частью термометра является термометрическое тело, приводимое в тепловой контакт с объектом, температуру которого надо измерить. В жидкостных термометрах термометрическим телом служит либо ртуть, либо подкрашенный спирт, а о температуре судят по изменению объема жидкости — по высоте столбика в капилляре. В термометрах сопротивления термометрическим телом служит, например, металлическая проволока, а температура определяется по ее электрическому сопротивлению.
Важные требования, предъявляемые к термометру, — чувствительность и точность измерений, а также воспроизводимость результатов. Для практического применения важно, чтобы термометр не изменял температуру тела, с которым он приводится в контакт. Поэтому его чувствительный элемент должен быть достаточно мал. Наконец, важно и то, насколько быстро устанавливается термодинамическое равновесие термометра с этим телом.
