Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Эмпирическая температурная шкала. Устройство большинства термометров основано на предположении, что положенное в основу измерения физическое свойство термометрического тела линейно зависит от температуры. Для построения шкалы выбираются две так называемые реперные точки, которым приписываются произвольные значения температуры, а шкала между ними делится на равные части. Этим устанавливается единица измерения температуры.
Раньше в качестве реперных точек выбирались точка плавления льда и точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении. В шкале Цельсия первой реперной точке присваивалась температура 0, а второй — 100 градусов Цельсия (0 °С—100 °С). Современная температурная шкала, сохраняя преемственность со- старой, основывается на так называемой тройной точке воды, которая обладает гораздо лучшей воспроизводимостью.
Установленная описанным выше способом шкала температуры называется эмпирической температурной шкалой, а измеряемая температура — эмпирической температурой. В зависимости от выбора термометрического тела можно осуществить множество эмпирических температурных шкал. Из всех эмпирических шкал наибольшими преимуществами обладает так называемая идеально-газовая шкала температуры, в наименьшей степени зависящая от химической природы вещества, выбранного в качестве термометрического тела. Выбирая именно такую шкалу, мы приближаемся к идеалу, когда температурная шкала вообще не зависит от термометрического тела. Принципиальная возможность построения термодинамической («абсолютной»), не зависящей от термометрического тела шкалы температуры, устанавливается в термодинамике. Этот вопрос будет рассмотрен ниже.
Высокие и низкие температуры. На практике для измерения температур в разных интервалах, в том числе очень высоких и очень
§ 14. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
121
низких температур, используют методы, основанные на разных физических явлениях. Например, для измерения очень высоких температур (выше 1000 °С) применяют оптические пирометры, проградуированные на основе законов теплового излучения. Очень низкие температуры (ниже 1 К) определяют по измерениям магнитной восприимчивости некоторых парамагнитных солей. Разумеется, для измерения температур в таких областях приходится использовать свои реперные точки. Важно, чтобы используемые в разных интервалах температур методы измерений давали совпадающие результаты в тех областях, где они перекрываются.
Изолированная система и термодинамическое равновесие. Как
уже отмечалось, система, не обменивающаяся энергией и веществом с внешними телами, называется изолированной. В термодинамике на основе обобщения опытных данных принимается как постулат следующее утверждение: любая изолированная система рано или поздно обязательно приходит в состояние термодинамического равновесия и самопроизвольно из него выйти не может.
Опыт показывает, что в состоянии равновесия не все макроскопические параметры, которые можно использовать для описания системы, являются независимыми. Независимы только внешние параметры. Например, если некоторое количество газа находится в сосуде определенного объема при некоторой температуре, то его давление имеет вполне определенное значение, которое однозначно выражается через объем и температуру газа. Другими словами, для определенного количества газа давление является функцией объема и температуры.
Это положение имеет универсальный характер. Как обобщение опытных данных в термодинамике принимается, что в состоянии равновесия в любой системе значения внутренних параметров являются функциями внешних параметров и температуры.
Уравнение состояния. Функциональная связь, выражающая зависимость какого-либо внутреннего параметра от значений внешних параметров и температуры, называется уравнением состояния. Конкретный вид этого уравнения зависит от рассматриваемой термодинамической системы. Для каждого вещества характер этой функциональной связи индивидуален. Поэтому термодинамические свойства описываются своим для каждого вещества уравнением состояния. В термодинамике постулируется только существование уравнения состояния, а его конкретный вид берется из опыта.
Оказывается, что некоторую информацию о свойствах системы можно получить, опираясь только на факт существования уравнения состояния и не зная его явного вида. Если же известен явный вид уравнения, можно получить более детальную информацию. В следующем параграфе будет рассмотрено уравнение состояния
122
IV. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
для наиболее простой термодинамической системы газа, находящегося в закрытом сосуде.
• Что понимают под термодинамической системой? Какими параметрами она характеризуется?
• Что такое внешние и внутренние параметры термодинамической системы?
• В чем различие понятий состояния системы в механике и термодинамике?
• В каком случае состояние термодинамической системы является равновесным? Чем оно отличается от стационарного состояния?
• Перечислите известные вам виды энергии и приведите примеры явлений, в которых происходят превращения энергии из одного вида в другой.
