Термодинамическая температура - единственная функция состояния термодинамической системы, характеризующая направление самопроизвольного теплообмена между материальными телами.
Рисунок 1. Понятие термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Термодинамическая температура в физике всегда обозначается буквой T, измеряется в кельвинах (обозначается K) и отсчитывается исключительно по абсолютной термодинамической шкале под названием шкал Кельвина. Абсолютная температура в термодинамике является основной шкалой в физике и в термодинамических уравнениях.
Молекулярно-кинетическая гипотеза, со своей стороны, непосредственно соединяет абсолютную температуру со средним коэффициентом кинетической энергией прямолинейного движения молекул идеального газа в условиях постоянного равновесия.
История измерения температуры
Измерение температуры в термодинамики прошло достаточно долгий и трудный путь в своём развитии. Так как температура невозможно измерить непосредственно, то для её измерения ученые применяли свойства термометрических веществ, находившиеся в функциональной зависимости от коэффициента температуры. На этой основе в итоге были созданы различные температурные шкалы, получившие название эмпирических, а измеренная посредством их температура носит название эмпирической.
Весомыми недостатками эмпирических шкал считается наличие несовпадения и непостоянства значений температур для различных термометрических тел: как между реперными материальными точками, так и за их границами.
Такое явление связано с отсутствием в природе универсального вещества, способного сохранять свои свойства в диапазоне всевозможных температур. В 1848 году Томсон решил с помощью экспериментов выбрать наиболее подходящий градус температурной среды таким образом, чтобы в её пределах эффективность тепловой машины была при любых условиях одинаковой.
В дальнейшем, в марте 1854 года, исследователи использовали обратную функцию Карно для создания новой шкалы в термодинамике, не зависящей от свойств, активно действующих в системе термометрических тел. Однако, практическое внедрение этой идеи оказалась невозможной. В начале XIX столетия в поисках «абсолютного» устройства для измерения температуры наука вновь вернулась к теории идеального газового термометра, базирующейся на законах веществ Гей-Люссака и Шарля.
Газовый термометр в течение длительного периода времени был единственным методом воспроизведения и закрепления абсолютной температуры. Новые направления в разработке идеальной температурной шкалы основаны на реализации уравнений Стефана ─ Больцмана в бесконтактной термометрии и формулы Гарри (Харри) Найквиста ─ в контактной.
Температура как интенсивное свойство
Рисунок 2. Термодинамическая температура. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Чтобы определить температуру, как интенсивное свойство любой системы, необходимо наполнить бочку холодной водой из других ведер. Сумма объемов жидкости в ведрах равна объему бочки. Однако сколько бы холодной воды ни поместить в бочку, горячей воды при этом невозможно получить. Такое рассуждение не смешно и не наивно, как может показаться с первого раза, ведь опыт не очевиден сам собой. Это один из важнейших законов природы, к которому люди просто привыкли.
Физика - великое торжество человеческого разума, но она практически всегда развивалась в связи с исследованием кажущихся тривиальностей.
Например, из нескольких коротких палок возможно быстро составить одну длинную, если соединить их встык между собой. Объем и длина – основные свойства системы. Но теперь желательно добавить к ним площадь и массу, которые выступают в качестве примеров экстенсивных свойств. Такие величины постепенно складываются, а на основе закона сложения базируется и метод их дальнейшего измерения.
Определение экстенсивной величины - это сравнение ее с однородной в отношении концепции величиной.
Измерять температуру необходимо так, как измеряют площадь, длину, объем, массу, нельзя: температуры никогда не складываются. Единица температуры, которой можно сразу измерять любую температурную шкалу, просто невозможна. Температура – яркий пример интенсивных свойств концепции, поэтому к ней закон сложения неприменим.
Например, если разделить железный стержень на несколько частей, температура каждой из них останется прежней, а вот длина, соответственно, изменится.
Непосредственно установить конкретное числовое соотношение между различными температурами бессмысленно и нереально. Поэтому цель ученых измерить температуру без использования метода, пригодным для экстенсивных величин оказалась невыполнимой.
Основы построения термодинамической шкалы температур
Рисунок 3. Абсолютная температура в термодинамике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Шкала температур в термодинамике может быть построена принципиально на основании гипотезы Карно, которая предполагает:
- независимость показателя полезного действия теплового идеального двигателя от самой природы материального тела;
- самостоятельность от конструкции мотора;
- зависимость от температур холодильника и нагревателя.
Такое соотношение возможно использовать для построения абсолютной термодинамической температуры. Если изометрическое явление цикла Карно осуществлять при температуре тройной точки воды, то коэффициент объема движущихся веществ изменится. Установленная таким образом шкала называется в физике термодинамической шкалой Кельвина. К сожалению, точность и надежность измерения количества теплоты низкая, что не позволяет реализовать вышеуказанный метод на практике.
Абсолютная температурная шкала может быть представлена в качестве некого термометрического элемента идеального газа. Если измерять давление этого вещества, близкого по свойствам к идеальному, расположенного в герметичном сосуде постоянного объёма, то таким способом ученые определяют температурную шкалу, которая называется идеально-газовой. Преимуществом этой шкалы считается тот факт, что давление идеального газа изменяется линейно с температурой.
В различных тематических изданиях по термодинамике приводятся доказательства того, что измеренная по идеально-газовой шкале температура полностью совпадает с термодинамической температурой. Однако между этими сетками есть принципиальная разница с качественной точки зрения.
Только термодинамическая шкала является абсолютно самостоятельной и не зависит от свойств термометрического тела.
Как уже было ранее сказано, точное воспроизведение термодинамической шкалы всегда сопряжено с серьезными трудностями. Поэтому изначально необходимо тщательно измерять количество получаемой теплоты в изотермических процессах теплового двигателя.
Дальнейшее воспроизведение термодинамической температурной сетки в диапазоне от 10 до 1337 K возможно посредством газового термометра. При более высоких температурах возникает диффузия реального газа в стенках резервуара, а при температурах в несколько тысяч градусов элементы распадаются на атомы. Для измерения температурных показателей за пределами возможностей газовых термометров в силу вступают специальные методы измерения.
