40. Температура. Термодинамічна рівновага.

Температура – це фізична величина, про яку людина дізнається з раннього дитинства, як про ступінь нагрітості тіл (холодне, тепле, гаряче); Таке уявлення про температуру є суто побутовим поняттям і не розкриває її фізичного змісту.

Поняття температури можна ввести на основі різних підходів, у яких використовують різні фізичні явища і закономірності. Наприклад, температура – це фізична величина, пропорційна середній кінетичній енергії частинок тіла з яких воно складається; температура як величина, що визначається розподілом частинок тіла за рівнями енергії або за швидкостями; ступенем іонізації; спектральною густиною випромінювання та ін...Введені таким чином поняття температури називають кінематичною, іонізаційною, радіаційною температурою. У вченні про теплоту поняття “температура” вводять через поняття термодинамічної рівноваги.

Під термодинамічною рівновагою розуміють наступне: якщо два тіла різного ступеня нагрітості привести в контакт, то одне тіло буде нагріватись, а друге – охолоджуватись і, врешті, настане такий момент, коли в системі цих тіл припиняться будь-які макроскопічні зміни (обмін теплотою припиниться). У цьому випадку говорять, що в системі розглядуваних тіл наступила термодинамічна рівновага і встановилася однакова температура. Така рівновага встановлюється завжди, незалежно від кількості тіл, що контактують. Самовільний перехід системи у стан термодинамічної рівноваги називається релаксацією, а час, протягом якого відбувається цей перехід, – часом релаксації. Термодинамічна рівновага є динамічною рівновагою. Це означає, що на молекулярному рівні в системі можуть відбуватись інтенсивні процеси, але всі макроскопічні процеси припиняться. Термодинамічна рівновага може настати лише в ізольованій, або замкненій системі. Наприклад, якщо закрита теплоізольована від навколишнього середовища посудина частково заповнена водою, то в ній весь час відбувається процес випаровування і конденсації, але кількість води, що перебуває в рідкому і газоподібному стані не змінюється, хоча на молекулярному рівні в системі протікають інтенсивні процеси.

Під час термодинамічної рівноваги макроскопічні параметри (що вимірюються за допомогою макроскопічних приладів) не змінюються з часом і в системі немає ніяких потоків. У процесі встановлення рівноваги відбувається самочинна передача теплової енергії від більш нагрітого тіла до менш нагрітого і як результат – вирівнювання температури тіл системи. Таким чином, можна сказати, що температура – це фізична величина, яка характеризує ступінь нагрітості тіла і визначає напрям передачі теплоти від одного тіла до іншого. Температура – це об’єктивна міра нагрітості тіл, вона характеризує внутрішній стан тіла і визначає його енергетичний стан.

Для вимірювання температури t необхідно вибрати термометричне тіло і вибрати температурний параметр, а після цього встановити температурну шкалу. У якості термометричного тіла можна вибрати ідеальний газ, ртуть, спирт та ін., а температурним параметром – об’єм. Температурним параметром може також бути електричний опір провідників і напівпровідників, термоелектрорушійна сила, інтенсивність випромінювання.

Емпіричну температурну шкалу встановлюють наступним чином: визначають значення температурного параметра (наприклад, об’єму, опору тощо) двох легко відтворюваних станів – плавлення льоду і кипіння води за нормального атмосферного тиску. Температурам цих двох станів присвоюють певні значення. Наприклад, у шкалі Цельсія 0⁰ С і 100⁰ С, у шкалі Фаренгейта 32⁰F I 212⁰F. У шкалі Цельсія інтервал 0⁰ і 100⁰ було поділено на 100 поділок – градусів Цельсія, а у шкалі Фаренгейта інтервал температур від температури плавлення льоду до температури кипіння води було поділено на 180 поділок – градусів Фаренгейта. Таким чином, величина градуса Цельсія не дорівнює величині градуса Фаренгейта.

У 1933 році лорд Вільям Кельвін розробив термодинамічну температурну шкалу (Кельвіна), у якій температура плавлення льоду дорівнює 273,16 К, а температура кипіння води дорівнює 373,16К. Як бачимо, різниця температур між двома опорними станами за шкалою Кельвіна дорівнює різниці температур між цими ж станами за шкалою Цельсія, тому одиниця вимірювання температури у шкалі Цельсія (градус Цельсія) дорівнює одиниці вимірювання температури у шкалі Кельвіна (1⁰С = 1К)