7. Теплова рівновага. Температура
Макроскопічні параметри. Під час опису процесів у газах й інших макроскопічних тілах немає потреби щораз звертатися до молекулярно-кінетичної теорії.
Будь-яке макроскопічне тіло або групу макроскопічних тіл називають термодинамічною системою. Величини, які характеризують стан термодинамічної системи без обліку молекулярної будови тіл (V, р, Т), називають макроскопічними (або термодинамічними) параметрами. Макроскопічні параметри не вичерпуються об'ємом, тиском і температурою. Наприклад, для суміші газів треба знати ще концентрації окремих компонентів суміші. Звичайне атмосферне повітря - це суміш газів.
Температура. Теплова рівновага. Температура характеризує ступінь нагретость тіла (холодне, тепле, гаряче). Для виміру температури був створений прилад — термометр. У його будові використана властивість тіл змінювати об'єм під час нагрівання або охолодження.
Будь-яке макроскопічне тіло або група макроскопічних тіл — термодинамічна система — при незмінних зовнішніх умовах довільно переходить у стан теплової рівноваги. Тепловою або термодинамічною рівновагою називають такий стан, коли всі макроскопічні параметри як завгодно довго залишаються незмінними. Це означає, що в системі не змінюються об'єм і тиск, немає теплообміну й взаємних перетворень газів, рідин і твердих тіл і т.д. Зокрема, не змінюється об'єм ртутного стовпчика в термометрі — отже, температура системи залишається постійної.
Проте мікроскопічні процеси усередині тіла не припиняються й під час теплової рівноваги. Змінюються положення молекул, їхньої швидкості при зіткненнях.
Температура характеризує стан теплової рівноваги макроскопічної системи: у всіх частинах системи, що перебуває в стані теплової рівноваги, температура має одне й те саме значення.
При однакових температурах двох тіл теплообмін між ними не відбувається. Тіла перебувають у стані, теплової рівноваги. А якщо температури тіл різні, те після встановлення між ними теплового контакту буде відбуватися обмін енергією. При цьому тіло з більшою температурою буде віддавати енергію тілу з меншою температурою. Отже, розходження температур указує напрямок теплообміну між ними.
8. Визначення температури
Середня кінетична енергія молекул газу при тепловій рівновазі. У стані теплової рівноваги всі гази мають однакову температуру, що не залежить від виду газу. Для визначення температури з'ясуємо, яка фізична величина в молекулярно-кінетичній теорії буде мати цю властивість температури.
Ніж швидше рухаються молекули, тім вище температура тіла. При нагріванні газу в замкнутій посудині тиск газу зростає. Відповідно до основному рівнянню молекулярно-кінетичної теорії тиск р прямо пропорційний середній кінетичної енергії поступального руху молекул:
.
При тепловій рівновазі, коли тиск газу даної маси і його об'єм фіксовані, середня кінетична енергія молекул газу повинна мати певне значення, як і температура.
Оскільки
концентрація газу
те
з
рівняння
випливає:
або
Тиск й об'єм вимірюють безпосередньо. Кількість молекул можна визначити, знаючи масу газу m, постійну Авогадро NA і молярну масу M. Відповідно до формули
Якщо кінетична енергія E справді одна й одна й тих же для всіх газів у стані теплової рівноваги, то величина р — може бути однакове для всіх газів. Лише досвід може чи підтвердити спростувати це припущення.