§ 24. Тепловое равновесие. Температура

Тепловое равновесие

1. Ежедневно вы имеете дело с телами, находящимися в различных состояниях, которые характеризуются определёнными параметрами. Например, макроскопические системы: кусок льда, принесённый в комнату зимой, и воздух в комнате имеют разную температуру. Через некоторое время в результате теплообмена между льдом и воздухом температура льда повысится, а воздуха несколько понизится, лёд растает, образовавшаяся из него вода нагреется и температура воды станет равной температуре воздуха в комнате.

Говорят, что между водой и воздухом установилось тепловое, или термодинамическое, равновесие, а эти макроскопические системы представляют собой термодинамическую систему.

Термодинамическая система — совокупность макроскопических систем, которые могут обмениваться энергией между собой и с внешними телами.

Если в дальнейшем никаких внешних воздействий на рассматриваемую термодинамическую систему оказано не будет, т. е. не будут включены нагревательные приборы, не откроют окно и дверь и т. п., то состояние теплового равновесия этой системы «вода — воздух» не нарушится. Система в данном случае является теплоизолированной. Термодинамическую систему, не участвующую в теплообмене с окружающими телами, называют теплоизолированной.

Теплоизолированная термодинамическая система с течением времени всегда приходит в состояние теплового равновесия, из которого самопроизвольно выйти не может.

Это утверждение составляет сущность закона термодинамического равновесия.

Равновесное состояние характеризуется неизменностью во времени всех термодинамических параметров состояния теплоизолированной системы. Например, если налить в стакан горячую воду и оставить его в комнате, то через некоторое время стакан и вода в нём придут в состояние термодинамического равновесия с воздухом и предметами, находящимися в комнате. При этом температура, давление и объём останутся неизменными сколь угодно долго при отсутствии внешних воздействий.

Если система находится в неравновесном состоянии, то, предоставленная самой себе, с течением времени она придёт в равновесное состояние. В дальнейшем вы будете изучать только равновесные системы.

Температура

2. Как вам уже известно, термодинамика изучает процессы, происходящие с макроскопическими системами, и их свойства, связанные с превращением энергии.

Среди параметров, характеризующих состояние термодинамической системы, температура является особым параметром.

Температура — параметр, характеризующий состояние термодинамического равновесия, её значение во всех частях равновесной системы одинаково.

Это свойство отличает температуру от других параметров состояния, например объёма или давления. Их значения в состоянии теплового равновесия со временем также не изменяются, но не являются одинаковыми во всех частях равновесной системы. Так, если из холодного помещения внести в тёплую комнату пустую стеклянную бутылку, плотно закрытую пробкой, и оставить на некоторое время, то с течением времени температура бутылки, воздуха в ней и температура воздуха в комнате выравняются и температура будет одинаковой и неизменной во времени при отсутствии внешних воздействий. Однако давление воздуха в бутылке будет больше, чем давление воздуха в комнате. Оно будет оставаться таким сколь угодно долго при отсутствии внешних воздействий. Таким образом, если температура одинакова для всех тел термодинамической системы, находящейся в равновесном состоянии, то значения других параметров — давления и объёма — могут быть разными для тел, входящих в систему.

Закон термодинамического равновесия и приведённое определение понятия температуры составляют содержание нулевого закона термодинамики.

Продолжение >>>