Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Если тело С находится в тепловом равновесии с телами А и В, то тела А и В, приведенные в контакт друг с другом, также будут находиться в тепловом равновесии. Иными словами, если температура тела С равна температурам тел А и В, то тела А и В имеют одну и ту же температуру, равную по определению температуре тела С.
Допустим теперь, что тело С настолько мало, что при приведении в контакт с телами Л и В оно не меняет заметно температуры этих тел, хотя изменения температуры самого тела С и могут быть значительными. Такое тело С может служить «пробным телом», с помощью которого можно констатировать одинаковость или различие температур тел А и В. Приведем тело С в контакт с телом Л и подождем, пока не наступит тепловое равновесие между ними. Тело С примет температуру тела Л, тогда как температура последнего практически останется неизменной. Затем приведем тело С
ТЕРМОСКОП И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ТОЧКИ
19
в контакт с телом В. Если окажется, что при этом температура тела С не изменилась, то тела А и В имеют одну и ту же температуру; в противном случае их температуры разные.
Достаточно малое тело С, служащее для констатации одинаковости или различия температур двух или нескольких тел, называется термоскопом. Малость тела С существенна. В противном случае термоскоп заметно искажал бы температуру испытываемого тела.
2. О постоянстве или измене- А В
нии температуры термоскопа можно судить по изменению различных величин, характеризующих его физические свойства. Опыт показывает, что практически все физические свойства тел изменяются с изменением температуры. Так, при нагревании большинство тел расширяется, т. е. увеличивается их объем. Электрическое сопротивление металлов возрастает с повышением температуры, а полупроводников — убывает. Если две проволоки из разнородных металлов спаять своими концами и включить гальванометр, как показано на рис. 1, то прибор не обна-
Рис. 2.
ружит электрического тока, если все места соединений разнородных металлов имеют одну и ту же температуру. Если же нагреть или охладить один спай, то в цепи возникнет электрический ток, называемый термоэлектрическим током. Совокупность разнородных проволок, спаянных, как указано выше, составляет так называемую термоэлектрическую пару или, короче, термопару.
Все подобные явления могут быть использованы для построения термоскопа. Примером может служить воздушный термоскоп, представленный на рис. 2 в двух различных вариантах. При соприкосновении шарика термоскопа с исследуемым телом меняется объем содержащегося внутри него воздуха. Изменение объема воздуха констатируется с помощью жидкостного манометра или
20
ТЕМПЕРАТУРА
[ГЛ. I
по перемещению столбика жидкости в трубке, соединенной с шариком.
3. С помощью термоскопа можно установить ряд постоянных температурных точек, т. е. неизменных, хорошо воспроизводимых температур. Они используются при построении температурных шкал. Отметим наиболее важные из таких точек.
Если твердое тело и жидкость, состоящие из одного и того же-вещества, находятся в контакте, то, в зависимости от температуры, твердое тело будет плавиться или, наоборот, жидкость затвердевать. При этом предполагается, что давление в системе поддерживается постоянным. Лишь при вполне определенной температуре, как показывает опыт, оба процесса — плавление и затвердевание — взаимно компенсируют друг друга. В этом случае массы жидкой и твердой фаз остаются неизменными. Тогда говорят, что жидкость и твердое тело находятся или сосуществуют в фазовом равновесии. Температура, при которой твердая и жидкая фазы одного и того же вещества сосуществуют в фазовом равновесии при нормальном атмосферном давлении (101325 Н/м2), называется нормальной точкой плавления рассматриваемого вещества (сокращенно НТП).
Аналогичные определения вводятся для процессов кипения и возгонки (возгонкой называется превращение твердой фазы непосредственно в газообразную, минуя промежуточную — жидкую — фазу). Температура, при которой жидкость сосуществует в фазовом равновесии со своим паром при нормальном атмосферном давлении, называется нормальной точкой кипения (сокращенно НТК). Аналогично определяется нормальная точка возгонки (сокращенно НТВ). Примером вещества, которое при нормальном давлении не плавится, а возгоняется, может служить твердая углекислота (см. § 104, пункт 4).
Наконец, могут сосуществовать в фазовом равновесии три фазы одного и того же вещества — твердая, жидкая и газообразная. Однако для этого требуется не только вполне определенная температура, но и вполне определенное давление. Для воды, например, давление должно составлять 4,58 мм рт. ст. Температура, при которой сосуществуют в фазовом равновесии твердая, жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества, называется тройной точкой этого вещества (сокращенно ТТ).
§ 3. Эмпирические температурные шкалы
1. Мы описали лишь способ, позволяющий убедиться в равенстве или различии температур двух тел. Но мы еще не определили температуру количественно. Решение этого вопроса сводится к установлению температурной шкалы, т. е. к принятию системы правил, с помощью которых каждая температура может быть охарактеризована определенным числом. Пока мы не располагаем коли-
