Д.В. Сивухин - Общий курс физики, Т2. Термодинамика и молекулярная физика (1106322), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Каково бы ни было начальпое состояние тел изолированной системы. о ней в конце концов установится термодипамгтческое рось нооесие., в котором прекрапсятся все .макроскотгческие процессьь Это положение играет важную роль в термодинамике и принимается в ней за постулат. иногда называемый обшим началом термодинамики. 7емпература и термодияамическос и анлвесие 4. Приведем еще несколько примеров на установление термодинамичсского равновесия. Допустим, что жесткая теплонспроводящая оболочка разделена также теплонепроводящей перегородкой на две части. В одной из частей находится жидкость, в другой создан вакуум.

Ьыстро удалим перегородку. Жидкость закипит. В прогтранстве, ограниченном оболочкой, возникает сложное движение жидкости и се пара. Но в конце концов оно, а также дальнейшее преобразование жидкости прекратятся. Получится либо только один пар (если жидкости вначале было мало).

либо система, состоящая из жидкости и насыщенного пара. В обоих случаях конечное состояние термодинамически равновесно. Это не есть состояние абсолютного покоя, в котором прекращаются все без исключения процессы. Рассматриваемое с молекулярной точки зрения. оно характеризуется непрерывным и интенсивным обмоном люлекушами между жидкостью и паром. Это значит, что непрерывно идет процесс преобразования жидкости и обратный ему процесс конденсации пара в жидкость. Однако в состоянии термодинамического равновесия эти два процесса как бы компенсируют друг друга; среднее число испаряющихся молекул равно среднему числу молекул, возвращающихся обратно из пара в жидкость. Термодинамическое равновесие, таким образом, может бгить охарактеризовано как динамическое равновесие.

когда весьма интенсивно идут процессы молекулярного масштаба, но все макроскопические процессы прекращаются. Это относится ко всякому термодинамическому равновесию. рассмотренному в приведенном примере. Если в стакан с водой бросить кусок сахара.то начальное состояние системы будет термодинамически неравновссным — сахар начнет растворяться в жидкости. Однако по прошествии некоторого времени, когда процесс растворения прекратится, возникнет термодинамически равновесное состояние. в котором получится либо однородный раствор, либо неоднородная система, состоящая из куска сахара и окружающего его насьнценного раствора.

В последнем случае динамический характер равновесного состояния проявляется в том, что процесс расткорения сахара, если его рассматривать с молекулярной точки зрения, никогда не прекращается. Однако в состоянии равновесия он компенсируется обратным процессом кристаллизации сахара из раствора. 5.

Самопроизвольный процесс перехода системы в состояние тсрмодинамического равновесия называется релаксацией, а время. затрачиваемое на такой переход. — временем релаксации. Время релаксации относится к числу нечетко определенных понятий. При его измерении никогда не дожидаются момента, .когда наступает полное динамическое равновесие. Вместо этого измеряют время, по истечении которого система переходит в такое неравновесное состояние, которое с требуемой точностью может быть принято за равновесное. Это время и принимают за время релаксации.

'Раким образом, во всех случаях речь идет не о точном опредолении времени релаксации. а о его приближенных оценках. ~Гл. 1 Темэпраплрра 6. Термодинамическое равновесие предполагает, что тель, приводимые в контакт, находятся также в механическом и химическом равновесии друг с другом. Это означает, в частности, что давления в обоих телах одни и тс же и тела при контакте химически не реагируют между собой.

Если это не так, то тела можно отделить одно от другого абсолютно жесткой теплопроводягцей оболочкой, химически не реагирующей ни с одним из расслэатриваемых тел. Примером тсплопроводящей оболочки может служить тонкая фалы а из хилэически нейтрального металла. Такая оболочка, ввиду ее тонкости, не влияет существенно на физическое состояние тел. Однако она не препятствует обмену энергиями между контактирующими телами.

Поэтому при контакте тел через разделяющую их абсолютно жесткую теплопроводящую перегородку в конце концов должно наступить равновесие. при котором обмен энергией между телами прекращается. При этом в отсутствие перегородки механического и химического равновесия между телами может и не быть. В этом случае говорят, что тела находятся в тепловом, или термическом, раетооесии между собой, или имеют одиллакооые телтературы. Таким образом., по определению, два тела находятся в тепловом равновесии друг с другом, или имеют одинаковые температуры, если при приведении их в тепловой контакт через разделяющую абсолютно жесткую теплопроводящую оболочку равновесие но нарушается.

(Оболочка не нужна, если тела находятся в механическом и химическом равновесии друг с другом.) Если же теплового равновесия при контакте не получается и для его достижения требуется врелэя, то говорят, что температуры тел до контакта были разные. Это определение освобождает понятие телшературы от субъективизма, свойственного тслэпературе, вводимой с помопэью наших ощугценийэ. Подчеркнем, что температура относится к величинам, которые зависят только от опуплреппеео состотп л тела. Во всем дальнейшем подразумевается.

что приводимые в контакт тела., если они химически реагируют друг с другом. заключены в тонкие теплопроводящие оболочки. препятствующие этим химическим реакциям. 7. Температура есть одна из макроскопических характеристпик внутреннего состояния тел. Это понятие не имеет смысла для систем, состоящих из одного или небольшого числа атомов и молекул. Хотя оно строго применимо только для систем, находящихся в термодиналэическом равновесии, однако им постоянно пользуются также и в тех случаях, когда полного термодинамического равновесия еще нет.

Говорят, например, о неравномерно нагретых телах, разные точки которых имеют разные температуры. Это возможно потому, что время релаксации уменьшается с умоныпенис размеров системы. Мысленно разобьем неравновесную систему на достаточно малые макроскопические части. Ввиду малости времени релаксации таких частей каждая из них быстро придет практически в состояние термодинамического з 21 Термоекоп и еиемперитррв ые точки 17 равновесия.

Это значит, что осли таку.ю мю1ую часть мгновенно заключить в твердую адиабатическую оболочку, то ее состояние практически окажется равновесным и не будет меняться с течением времени. 1!оэтому и можно говорить о температурах таких малых частей.

Система в целом при этом не находится в термодинамичсском равновесии происходит медленный процесс выравнивая температур ее различных частей. Но могут быть и такие сильно неравновесные состояния, что разделение системы на малые макроскопические части. практически являющиеся равновесными, невозможно. К таким состояниям понятие температуры неприменимо. й 2.

Термоскоп и температурные точки 1. Для суждения об одинаковости или различии температур двух тел А и В нет необходимости обязательно приводить их в тепловой контакт друг с другом. Можно воспользоваться для этой цели третьим телом С, приводимым последовательно в контакт с телами А и В. Этот способ имеет то преимущество, что он позволяет сравнивать температуры и в том случае, когда тела А и В реагируют друг с другом химически. нс используя при этом теплопроводящих перогородок.

В основе его лежит следующий опытный факт. Если тело С находится в тепловом равновесии с телами А и В. то тела А и В, приведенные в контакт друг с другом, также будут находиться в тепловом равновесии. Иными словами, если температура С равна температурам тел А и В, то тела А и В имеют одну и ту же температуру, равную по определению температуре тела С. Допустим теперь, что тело С настолько мало, что при приведении в контакт с телами А и В оно не меняет заметно температуры этих тел,хотя изменения температуры самого тела С и могут быть значительными.

Такое тело С может служить епробным теломе, с помоп1ью которого можно констатировать одинаковость или различие темпсрату.р тел А и В. Приведем тело С в контакт с телом А и подождем, пока нс наступит тепловое равновесие между ними. Тело С примет температуру тела А., тогда как температура последнего практически остается неизменной. Затем приведем тело С в контакт с толом В. Если окажется, что при этом температура тела С не измениласеь то тела А и В имеют одну и ту же температуру: в противном случае их температуры разные.

Достаточно малое тело С, служащее для констатации одинаковости или различия температур двух или нескольких тел, называется гпермоскопом,. Малость тела С существенна. В противном случае термоскоп заметно искажал бы температуру испытываемого тела. 2. О постоянстве или изменении температуры термоскопа можно судить по изменснию различных величин, характеризующих его физические свойства. Опыт показывает„что практически все физические свойства тел изменяются с изменением температуры. Так, при )1л. 1 Те мшрагп ура нагревании большинство тел расширяется, т. е.

увеличивается их объем. Электрическое сопротивление металлов возрастает с повышением температуры, а полупроводников убывает. Если две проволоки из разнородных металлов спаять своими концами и включить гальванометр, как показано на рис. 1. то прибор не обнаружит электрического тока, если все места соединений разнородных металлов имеют одну и ту же температуру. Если же нагреть или охладить один свай. то в цепи возникнет электрический ток, называемый термоэлектрическим тпоком. Совокупность разнородных проволок, спаянных, как указано выше, составляет так называемую термоэлетприческую пару или, короче, термопару.

Все подобные явления могут быть использованы для построения термоскопа. Примером может служить воздушный термоскан, представленный на рис. 2 в двух различных вариантах. При соприкос- Р .2 Рис. 1 новении шарика термоскопа с исследуемым толом меняется объем содержащегося внутри него воздуха. Изменение объема воздуха констатируется с помоп1ью жидкостного манометра или по перемещению столбика жидкости в трубке, соединенной с шариком. 3. С помощью тсрмоскопа можно установить ряд постоянных темпергппурных точек, т.е. неизменных, хорошо воспроизводимых температур. Они используются при построении температурных шкал. Отметим наиболее важные из таких точек. Если твердое тело и жидкость, состоящие из одного и того же вещества, находятся в контакте.

то, в зависимости от температуры, твердое тело будет плавиться или, наоборот, жидкость затвердевать. При этом предполагается. что давление в системе поддерживается постоянным. Лишь при вполне определенной температуре, как показывает опыт, оба процесса — плавление и затвердевание — взаимно компенсируют друг друга. В этом случае массы жидкой и твердой фаз остаются неизменными.

Тогда говорят, что жидкость и твердое тело находятся или сосуп1ествуют в фазовом равновесии. 1емперазура, при которой твердая и жидкая фазы одного и того же вещества сосуществуют в фазовом равновесии при нормальном атмосферном давлении 1101325 Па). называется нормальной точкой плавления 1Н'ГП) рассматриваемого вещества.

Эмпирические племператррньле шкалы 19 Аналогичные определения вводятся для процессов килещш и возгонки 1возгонкой называется преврап1ение твердой фазы непосредственно в газообразную, минуя промежуточную жидкую фазу). Температура, при которой жидкость сосуплсствует в фазовом равновесии со своим паром при нормальном атмосферном давлении, называется нор.иальпой точкой кипе1шя (НТК).

Характеристики

Список файлов книги