45. Термодинамічна шкала температур. Третій початок термодинаміки. Недосяжність абсолютного нуля

Другий закон термодинаміки можна використовувати для побудови термодинамічної шкали температур. Так як ККД циклу Карно не залежить від робочого тіла, то можна уявити таку процедуру. Деякий стандартне тіло в певному стані (наприклад, вода, що кипить при атмосферному тиску) вибирається в якості нагрівача. Інше стандартне тіло (наприклад, лід, що тане при атмосферному тиску) вибирається в якості холодильника. Різниця температур Т _ні Г_х(самі температури поки невідомі) ділиться на довільне число частин, чим встановлюється розмір градуса (скажімо, на сто частин). Здійснюється оборотний цикл Карно з яким-небудь речовиною. Вимірюється кількість теплотиQ _1,запозиченої від нагрівача, і кількість теплоти Q_2,відданої холодильника: (15) Маючи, крім того, умову:T _H - T _X= 100 ° С, отримуємо два рівняння, що визначають T_ніТ _х.Якщо тепер узяти якусь речовину при невідомій температуріТі використовувати його в якості нагрівача при колишньому холодильнику (температура T_х),то, проводячи цикл Карно і вимірюючиQ ₁ ^'і Q ^2',можна написати: Звідси знаходиться шукана температураТ.Побудована таким чином шкала температур, як з'ясувалося, збігається зі шкалою, одержуваної при вимірах з газовим термометром. З рівняння (15) випливає, що нулем температури є температура, при якій кількість теплотиQ ₂дорівнює нулю. У цьому випадку ККД циклу Карно повинен дорівнювати одиниці. Так як великим він стати не може (за першого початку), то ця температура найнижча. Термодинамічна шкала збігається зі шкалою газового термометра, значить, збігаються і їх нульові точки. Нагадаємо, що абсолютним нулем є температураt = -273,15 ° С. Згідно другому початку неможливо отримати ККД теплової машини, що дорівнює одиниці, тому можна дати ще одну формулювання другого початку, підкреслює цю обставину: абсолютний нуль температури принципово недосяжний, хоча до нього можна наблизитися як завгодно близько. В даний час вже отримана температура, складова всього 10^-6К. Так як енергія безладного руху частинок газу пропорційна температурі, то слід очікувати, що при абсолютному нулі безладний рух має припинитися - частки будуть розташовуватися найбільш впорядкованим чином (але, звичайно, будуть мати місце внутрішньомолекулярні або внутріатомні руху). Цією найбільшою впорядкованості розташування часток повинна відповідати найменша ентропія. В. Нернст (1864 - 1941), грунтуючись на ряді фізико-хімічних спостережень, висловив положення, часто зване третє початком термодинаміки: ентропія будь макросистеми при прагненні її температури до абсолютного нуля прагне до одного й того ж для всіх систем постійному значенню, яке можна прийняти рівним нулю. На закінчення зазначу, що область застосування термодинаміки не обмежується тільки тепловими процесами. Зміни внутрішньої енергії за рахунок хімічних процесів, процесів горіння, внутрішньоатомних перетворень і багатьох інших (включаючи і процеси, що відбуваються в живих організмах) також успішно досліджуються термодинамікою. Однак складність подібних досліджень не дозволяє вивчати їх у загальному курсі фізики.

46.