Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
2. В основу количественного определения температуры и построения точной температурной шкалы должны быть положены объективные физические явления и факты, свободные от субъективизма чувственных восприятий. К понятию температуры можно подходить с различных точек зрения. В феноменологическом учении о теплоте температура вводится через понятие теплового или термического равновесия. Более общим является понятие термодинамического равновесия. Как то, так и другое трудно поддаются логическому определению. К ним приходят в результате рассмотрения конкретных примеров и последующего обобщения.
§ ]] ТЕМПЕРАТУРА И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ 15
Если два тела, температуры которых при оценке с помощью наших органов чувств сильно отличаются друг от друга (например раскаленный металл и холодную воду) привести в соприкосновение друг с другом, то опыт показывает, что одно тело будет нагреваться, а другое охлаждаться, пока не прекратятся в системе всякие макроскопические изменения. (Мы предполагаем, что соприкасающиеся тела химически не реагируют друг с другом.) Тогда, применяя терминологию, заимствованную из механики, говорят, что эти два тела находятся в термодинамическом равновесии друг с другом и имеют одинаковые температуры. Термодинамическое равновесие, как показывает опыт, в конце концов наступает не только в случае соприкосновения двух, но и в случае соприкосновения скольких угодно тел. Если соприкасающиеся тела химически реагируют друг с другом, то в результате химических реакций может происходить дополнительное нагревание или охлаждение. Но после прекращения химических реакций в конце концов устанавливается термодинамическое равновесие, при котором никаких макроскопических процессов уже не происходит.
3. Отмеченные факты допускают обобщение. Назовем изолированной или замкнутой системой систему тел, которые не могут обмениваться энергией с окружающими телами. Такая система есть идеализация и в действительности точно никогда не реализуется. Даже в тех случаях, когда вблизи соприкасающихся тел никаких других тел не имеется, тела все же не образуют замкнутую систему, так как они непрерывно испускают лучистую энергию и поглощают излучение, исходящее от других удаленных тел. Однако искусственными приемами можно создать такие условия, когда обмен энергией системы с другими телами станет пренебрежимо малым. Этого можно достигнуть путем заключения системы в твердую теплонепроводящую или адиабатическую оболочку, т. е. такую оболочку, что состояние системы, помещенной внутри нее, не меняется при нагревании или охлаждении тел, находящихся вне оболочки (подробнее см. § 13). Адиабатическая оболочка является физической абстракцией. Таких оболочек в действительности не существует, но можно создать оболочки, по своим свойствам приближающиеся к адиабатическим. Наиболее совершенными адиабатическими оболочками в современной физике и технике являются стенки сосудов Дьюара или термосов. Это стеклянные или металлические баллоны с двойными стенками, между которыми создан высокий вакуум. Они хорошо предохраняют помещаемые в них тела от воздействия температур внешних тел. Идеализируя подобные приборы, мы приходим в пределе к представлению об идеальной адиабатической оболочке. Тело, заключенное в адиабатическую оболочку с твердыми стенками, при условии, что внешние силовые поля поддерживаются постоянными, полностью защищено от внешних воздействий, т. е. является изолированной системой.
16
ТЕМПЕРАТУРА
ІГЛ. І
Обобщение, о котором говорилось выше, заключается в следующем. Каково бы ни было начальное состояние тел изолированной системы, в ней в конце концов установится термодинамическое равновесие, в котором прекратятся все макроскопические процессы. Это положение играет важную роль в термодинамике и принимается в ней за постулат, иногда называемый общим началом термодинамики.
4. Приведем еще несколько примеров на установление термодинамического равновесия. Допустим, что жесткая теплонепроводящая оболочка разделена также теплонепроводящей перегородкой на две части. В одной из частей находится жидкость, в другой создан вакуум. Быстро удалим перегородку. Жидкость закипит. В пространстве, ограниченном оболочкой, возникнет сложное движение жидкости и ее пара. Но в конце концов оно, а также дальнейшее испарение жидкости прекратятся. Получится либо только один пар (если жидкости вначале было мало), либо система, состоящая из жидкости и насыщенного пара. В обоих случаях конечное состояние термодинамически равновесно. Это не есть состояние абсолютного покоя, в котором прекращаются все без исключения процессы. Рассматриваемое с молекулярной точки зрения, оно характеризуется непрерывным и интенсивным обменом молекулами между жидкостью и паром. Это значит, что непрерывно идет процесс испарения жидкости и обратный ему процесс конденсации пара в жидкость. Однако в состоянии термодинамического равновесия эти два процесса в среднем как бы компенсируют друг друга: среднее число испаряющихся молекул равно среднему числу молекул, возвращающихся обратно из пара в жидкость. Термодинамическое равновесие, таким'образом, может быть охарактеризовано как динамическое равновесие, когда весьма интенсивно идут процессы молекулярного масштаба, но все макроскопические процессы прекращаются. Это относится ко всякому термодинамическому равновесию, а не только к равновесию, рассмотренному в приведенном примере.
