Температура

Страницата е създадена на:19 октомври 2018 и редактирана на:29 юли 2019

Нека две изолирани системи да се намират в състояния на термодинамично равновесие.

Това че системите за изолирани означава, че те са достатъчно отдалечени една от друга и не обменят вещество и енергия нито с околната среда, нито по между си. Нека да си представим експеримент, при който системите се доближават една до друга и се поставят в контакт, който им позволява да обменят енергия, поради взаимодействието на градивните частиците на едната система с градивните частици на другата система на границата на контакта, но така, че частиците на едната система не мога да преминат в другата система или обратно. Това е възможно, например, ако двете системи бъдат отделени една от друга с тънка твърда и неподвижна обвивка, която не пропуска вещество. След поставяне в контакт на двете системи, те образуват нова система, която оставяме изолирана. Такъв вид контакт ще наричаме термичен контакт.

Опитът показва, че новата изолирана система или остава в равновесие или в нея започват процеси и състоянието й се променя до достигане до ново състояние на равновесие (виж "Основен постулат на термодинамиката"). Например, ако поставим бучка лед във вода количеството на леда или остава същото или се променя - намалява или се увеличава.

Това наблюдение показва, че в едни случаи равновесните състояния на две системи са в някакъв смисъл подобни (щом след поставяне на системите в термичен контакт състоянията им не се променят), а в други случаи равновесните състояния се различават. Така възниква необходимост от въвеждане в термодинамиката на параметър, свързан с равновесното състояние, който да характеризира тази прилика или различие. Този параметър се нарича температура. Всяка система в равновесие има определена температура. Когато две системи с еднаква температура се поставят в термичен контакт, системите остават в равновесие, но когато температурите на системите са различни, в тях започват процеси, които продължават до установяване на равновесие в новата изолирана система, образувана при обединяването на двете системи.

При процесите, които започват след като две термодинамични системи бъдат поставени в термичен контакт, става обмен на енергия. Системата, която отдава енергия, се приема, че има по-висока температура, докато системата, получаваща енергия - по-ниска.

Човешкото тяло има рецептори за температура, които създават усещанията за топло и студено. Предметите, които имат по-висока температура възприемаме като по-топли, а тези с по-ниска температура - като по-студени.

Температурата се измерва с уреди - термометри. Всеки термометър, представлява термодинамична система, някой от параметрите на която се променя заедно с промяната на температура. Например, при живачния термометър се променя обема на живака в резервоарчето. Изменението на този параметър (в примера - обема) се установява по подходяща скала, която е разграфена в единици за температура - градуси.

Съществуват различни единици и скали за температура. В SI единицата за температура се нарича келвин ($K$), а скалата за температура, в която се използва тези единица - абсолютна термодинамична температурна скала. Температурата $T$, измерена по абсолютната термодинамична скала се нарича абсолютна температура. Стойностите на абсолютната температура започват от 0 $K$ - най-ниската възможна температура, която се нарича абсолютна нула и могат да бъдат само положителни числа. За построяване на скалата и определяне на единицата келвин се използва температурата на тройната точка на водата¹. Приема се че тази точка има температура 273,16 $K$.

Широко се използва и Целзиевата температурна скала. Единицата за температура по целзиевата скала се нарича целзиев градус или градус по Целзий. Означава се със символа ${}^{0}C$. По целзиевата скала на температурата на топене на леда при нормално атмосферно налягане е зададена стойност $0^{0}C$, а на температурата на кипене на водата, при нормално атмосферно налягане: ${100}^{0}C$.

Единиците келвин и целзиев градус са определени така, че са равни по големина. Целзиевата и абсолютната термодинамична температурни скали се различават само по началната си точка. По целзиевата скала тройната точка на водата има температура ${t=\mathrm{0,01}}^{0}C$, докато по термодинамичната скала, тази температура е $T=\mathrm{273,16}K$. Следователно формулата за преобразуване на целзиевата температура в абсолютна температура e:

$T=t+\mathrm{273,15}K$.

От гледна точка на статистическата физика абсолютната температурата $T$ е пропорционална на средната кинетична енергия $\overline{E_k}$ на молекулите на веществото. С други думи температурата е мярка за енергията (интензивността) на хаотичното топлинно движение на градивните частици. Например, за газ от сферични молекули:

$\overline{E_k}=\frac{3}{2}\mathit{kT}$

В последната формула $k=\mathrm{1,38}.{10}^{-23}J{K}^{-1}$ е константа, известна под името константа на Болцман.

 

---

¹ Тройна точка се нарича състоянието на термодинамично равновесие между три агрегатни състояния на вещество: течност, твърдо тяло и пари. Налягането и температурата на тройната точка на всяко вещество имат характерни за всяко вещество стойности.

 

Предишна страница: Основен постулат на термодинамиката

Следваща страница: Уравнения на състоението