1.1.6. Температура. Поняття температури

Поняття температури вводиться для характеристики різної ступені прогрітості тіл. Уявлення про температуру увійшло в науку через засоби чуттєвих сприйнять людини. Усі ці чуттєві сприйняття є суб’єктивними і неточними. В основу кількісного визначення температури покладено фізичні явища, вільні від суб’єктивізму (тепловий рух частинок, з яких складаються тіла або системи). Рух таких частинок приводить до нагрівання тіла. Рівновісність цього руху у всіх напрямках приводить до того, що макроскопічна система, представлена сама собі, приходить у стан термодинамічної рівноваги, для якого має зміст поняття температури, тобто визначення температури повинно базуватися на величині, яка б характеризувала стан тіла і яка була б однакова у будь-яких двох тіл, що знаходяться в тепловій рівновазі один з іншим. Цією властивістю володіє кінетична енергія поступального руху мікрочастинок тіла, яка вибирається мірою температури.

Розглянемо температуру газу:

з рівнянь (17) і (18) знаходимо:

,

N – число молекул:

,

,

,

k – стала Больцмана:

.

Знаходимо зв’язок між температурою і середньою кінетичною енергією поступального руху його молекул:

, (19)

Тоді на основі рівняння (19) середня швидкість теплового поступального руху (середня квадратична швидкість) молекул газу:

, (20)

m – маса молекул.

Згідно з рівнянням (19), абсолютна температура тіла є мірою середньої кінетичної енергії поступального руху молекул. Тоді абсолютному нулю відповідає температура, при якій поступальний рух молекул зупиняється.

На основі рівняння (19) знаходимо, що температурі 1К відповідає кінетична енергія поступального руху:

~Е,

1К~.

Лекція 2

1.2. Перший закон термодинаміки

1.2.1. Внутрішня енергія термодинамічної системи

Будь-яка термодинамічна система в будь-якому стані володіє повною механічною енергією, що включає:

1. кінетичну енергію механічного руху усієї системи як цілу, так і її макроскопічних частин;

2. потенціальну енергію, яка залежить від положення системи в зовнішньому силовому полі (гравітаційному, електричному, магнітному);

3. внутрішню енергію U, яка залежить лише від внутрішнього стану системи.

В термодинаміці розглядають макроскопічні умовно-нерухомі системи без урахування їх потенціальної енергії в зовнішніх силових полях.

Значення повної і внутрішньої енергії співпадає, тому поняття внутрішньої енергії – одне з основних понять в термодинаміці.

До складу внутрішньої енергії входить енергія різних видів руху і взаємодій одна з одною усіх частинок (атомів, молекул, іонів, електронів та ін.),що утворюють систему, яка розглядається. Наприклад до внутрішньої енергії газоподібного тіла входять:

1. кінетична енергія хаотичного (теплового, поступального і обертального руху молекул);

2. кінетична і потенціальна енергія коливань атомів в молекулі;

3. потенціальна енергія, що обумовлена силами міжмолекулярних взаємодій;

4. енергія взаємодії електронів в атомах і молекулах між собою і в ядрах;

5. тенергія руху і взаємодії нуклонів в ядрі або в ядрах.

Зміна внутрішньої енергії при переході з деякого стану 1 в 2 не залежить від виду процесу переходу, а залежить від початку і кінця стану цієї системи. Наприклад, якщо в результаті якого-небудь процесу система повертається в початковий стан, то повна зміна її внутрішньої енергії чисельно:

. (1)

Приріст внутрішньої енергії dU є повним диференціалом термодинамічної координати, а внутрішня енергія є однозначною функцією термодинамічної системи. Внутрішня енергія термодинамічної системи залежить тільки від температури і зовнішніх параметрів системи. Наприклад, внутрішня енергія U деякої системи постійної маси m залежить від температури T і об’єму системи V системи:

. (2)

Внутрішня енергія подібно до потенціальної енергії в механіці може бути визначена з точністю до деякої сталої , яка залежить від вибору стану, в якому внутрішня енергія системи приймається рівною нулю.

В термодинаміці визначається не абсолютне значення внутрішньої енергії, а лише її зміна в процесах, які розглядаються, тому в термодинаміці під внутрішньою енергією розглядаються тільки ті її складові, які змінюються в тих термодинамічних процесах, які розглядаються. З урахуванням цього під внутрішньою енергією реального газу можна розуміти складові 1, 2, 3, а під внутрішньою енергією U ідеального газу – складову 1 повної внутрішньої енергії газоподібного тіла.