Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Если в стакан с водой бросить кусок сахара, то начальное состояние системы будет термодинамически неравновесным — сахар начнет растворяться в жидкости. Однако по прошествии некоторого времени, когда процесс растворения прекратится, возникнет термодинамически равновесное состояние, в котором получится либо однородный раствор, либо неоднородная система, состоящая из куска сахара и окружающего его насыщенного раствора. В последнем случае динамический характер равновесного состояния проявляется в том, что процесс растворения сахара, если его рассматривать с молекулярной точки зрения, никогда не прекращается. Однако в состоянии равновесия он компенсируется обратным процессом кристаллизации сахара из раствора.
5. Самопроизвольный процесс перехода системы в состояние термодинамического равновесия называется релаксацией, а время,
§ 1] ТЕМПЕРАТУРА И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
17
затрачиваемое на такой переход, — временем релаксации. Время релаксации относится к числу нечетко определенных понятий. При его измерении никогда не дожидаются момента, когда наступает полное термодинамическое равновесие. Вместо этого измеряют время, по истечении которого система переходит в какое-то неравновесное состояние, которое, однако, с требуемой точностью может быть принято за равновесное. Это время и принимают за время релаксации. Таким образом, во всех случаях речь идет не о точном определении времени релаксации, а о его приближенных оценках.
6. Термодинамическое равновесие предполагает, что тела, приводимые в контакт, находятся также в механическом и химическом равновесии друг с другом. Это означает, в частности, что давления в обоих телах одни и те же, и тела при контакте химически не реагируют между собой. Если это не так, то тела можно отделить одно от другого абсолютно жесткой теплопроводящей оболочкой, химически не реагирующей ни с одним из рассматриваемых тел. Примером теплопроводящей оболочки может служить тонкая фольга из химически нейтрального металла. Такая оболочка, ввиду ее тонкости, не влияет существенно на физическое состояние тел. Однако она не препятствует обмену энергиями между контактирующими телами. Поэтому при контакте тел через разделяющую их абсолютно жесткую теплопроводящую перегородку в конце концов должно наступить равновесие, при котором обмен энергией между телами прекращается. При этом в отсутствие перегородки механического и химического равновесия между телами может и не быть. В этом случае говорят, что тела находятся в тепловом или термическом равновесии между собой или имеют одинаковые температуры.
Таким образом, по определению, два тела находятся в тепловом равновесии друг с другом или имеют одинаковые температуры, если при приведении их в тепловой контакт через разделяющую абсолютно жесткую теплопроводящую оболочку равновесие не нарушается. (Оболочка не нужна, если тела находятся в механическом и химическом равновесии друг с другом). Если же теплового равновесия при контакте не получается и для его достижения требуется время, то говорят, что температуры тел до контакта были разные. Это определение освобождает понятие температуры от субъективизма, свойственного температуре, вводимой с помощью наших ощущений. Подчеркнем, что температура относится к величинам, которые зависят только от внутреннего состояния тела.
Во всем дальнейшем подразумевается, что приводимые в контакт тела, если они химически реагируют друг с другом, заключены в тонкие теплопроводящие оболочки, препятствующие этим химическим реакциям.
7. Температура есть одна из макроскопических характеристик состояния тел. Эго понятие не имеет смысла для систем, состоящих из одного или небольшого числа атомов и молекул. Хотя оно строго
18
ТЕМПЕРАТУРА
[ГЛ. I
применимо только для систем, находящихся в термодинамическом равновесии, однако им постоянно пользуются также и в тех случаях, когда полного термодинамического равновесия еще нет. Говорят, например, о неравномерно нагретых телах, разные точки которых имеют разные температуры. Это возможно потому, что время релаксации уменьшается с уменьшением размеров системы. Разобьем мысленно неравновесную систему на достаточно малые макроскопические части. Ввиду малости времен релаксации таких частей каждая из них быстро придет практически в состояние термодинамического равновесия. Это значит, что если такую малую часть мгновенно заключить в твердую адиабатическую оболочку, то ее состояние практически окажется равновесным и не будет меняться с течением времени. Поэтому и можно говорить о температурах таких малых частей. Система в целом при этом не находится в термодинамическом равновесии — происходит медленный процесс выравнивания температур ее различных частей. Но могут быть и такие сильно неравновесные состояния, что разделение системы на малые макроскопические части, практически являющиеся равновесными, невозможно. К таким состояниям понятие температуры не применимо.
§ 2. Термоскоп и температурные точки
1. Для суждения об одинаковости или различии температур двух тел А и В нет необходимости обязательно приводить их в тепловой контакт друг с другом. Можно воспользоваться для этой цели третьим телом С, приводимым последовательно в контакт с телами А и В. Этот способ имеет то преимущество, что он позволяет сравнивать температуры и в том случае, когда тела Л и В реагируют друг с другом химически, не используя при этом теплопроводящих перегородок. В основе его лежит следующий опытный факт.
