Д.В. Сивухин - Общий курс физики, Т2. Термодинамика и молекулярная физика (1106322), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Предположение о полном покое атомов и молекул противоречит прин; ггипу неопредслегтости Рейэенберга. При абсолютном нуле остается еще весьма интенсивное движение частиц, из которых состоит тело. Ему соответствует минимальная энергия„которая от тела уже не может быть отнята (еслгг остаются постоянными объем и прочие внешние параметры, определяющие состояние тела). Но это движение уже не является тепловым. Соответствующая ему энергия называется нулевой энергией.
Наличием нулевой энергии объясняются многие явления. Так, при темпсрегеуре, близкой к абсолютному нулю, энергия жидкого гелия столь велика (в три раза больше, чем теплота испарения), что кристалл гелия, находящийся под давлением собственных насьпценных паров. становится нестабильным и переходит в жидкое состояние. Затвердевание гелия возможно лишь при повышенном давлении. Под влиянием давления атомы гелия сближаются, и силы молекулярного притяжения возрастают. Это обстоятельство и делает возможным переход гелия в твердое состояние. Абсоггготггый нуль моонтпг быть опргдсяшг как пгакая пгемперегпгуроь при которой в теле прехрзигоется гаепяооое допггсепие и остается пюлыло двиоюепие часпгиц, соязогпгое с пулевой энергией.
Абсолютный нуль является самой низкой и «холоднойь из всех температур. Температура, отсчитываемая от абсолютного нуля, называется абсояюптой температурой. Сначала единица температуры в идеально-газовой абсолютной шкале называлась градусом Кеггьвигга в честь английского )Гл. ! Температура 24 физика лорда Кельвина (1824 — 1007). предложившего терл1одинамическую шкалу температур, тождественную с идеально-газовой шкалой. Затем такую единицу стали называть просто кельвин )сокращенно К). Эта единица однозначно определяется требованием, чтобы темпе!затура тройной точки воды была равна 273,16 К.
4. Мы еще не дали точных определений понятиям «более холодныйа и «более горячийк. Полагаться на чувственные восприятия, приводящие к такого рода представлениям, нельзя по причинам, о которых было сказано выше. Точное определение использует понятие энергии. Тело А называется более горячи.м, или более гюгретым, чем тело В, если при приведении этих тел в тепловой контакт энергия переходит от тела А к телу В; тело же В в этом случае называется более колодным, или менее ~ агретым. 5. Поскольку обе величины !э и К для идеальных газов не могут быть отрицательными, абсолютная температура Т. определяемая соотношением (4.!), может быть либо только по.тожительной, либо только отрицательной. Первый случай реализуется, когда в качестве постоянной С взята положительная величина, второй — эта постоянная отрицательна.
Чак как условились температуру тройной точки воды считать положительной, то при таком соглашении второй случай отпадает. (Можно было бы поступать наоборот, тогда все абсолютные температуры были бы отрицательными.) Таким образом, абсолютная температура, определенная с помощью идеально-газового термометра, может быть только палеюк:отельной. Новее нагретым телам соотяетствуют более высокие, а менее нагретым более низкис температуры. 6, Существование абсолютного нуля, как температуры, ниже которой тело охладить нельзя, конечно,не зависит ни от каких определений.
Однако то обстоятельство, что такой температуре приписывается значение нуль градусов, является всего лишь произвольным соглашением. Можно было бы тсмпоратуру определить так. что абсолютному нулю соответствовало любое, наперед выбранное число градусов. Действительно, температурой можно было бы назвать не обязательно величину Т, определяемую соотношением (4.1), а любую функцию этой величины, Например, за температуру можно было бы принять логарифм Т. Тогда температура абсолютного нуля выражалась бы числом — сс, а температурная шкала заполняла бы весь бесконечный интервал от — оо до +ос.
Однако нет оснований отступать от традиционного определения. 7. Наряду с абсолютной температурной шкалой в физике употробляется также шкала Цельсия (1701 1744), строящаяся известным способом по двум основным реперным точкам нормальной точке плавления льда и нормальной точке кипения воды. П!кала 1)сльсия отличается от абсолютной шкалы положением нуля. Если ! — температура в градусах 1)ельсия. а Т абсолютная температура в кельвинах, то приближенно (4.2) 1 = Т вЂ” 273,16'С. Идеальнеь газовал шкала те иперагврд 25 Пользуясь этим выражением, уравнение (4.! ), выражающее закон Бой- ля-Мариотта, можно записать в виде 1443) Рг = Роге!1+ о!), где Ро и !'о — давление и объем газа при температуре ! = О'С, а а постоянный коэффициент, числовое значение которого приближенно равно 1 .1 973 15 Этому коэффициенту можно дать двоякое физическое толкование.
Если давление газа поддерживать постоянным, то формула (4.3) переходит в И = Ив(1+ ай) и показгявает, что а есть шемперопгйрный коэффпе!пепт, обвемиого рпшииренол газа. Наоборот, если поддерживать постоянным объем газа, то Р = Ре( ! + Д!). Отсюда видно, что 13 есть приращение давления газа Р— Ро, отнесенное к единице приращения температуры ! — !о, когда в качестве исходной взята температура !а = О'С. Рак опредсляемая величина н зывается температурным коэффпциецшоле давления еаза.
Мы видим, что для идеальных газов коэффициент объемного расширения и термический коэффициент давления совпадают. Формулы (4.3) и (4.1), устанавливающие линейную связь между произведением РГ и температурой. не выражают какого-либо физического закона, а являются лишь следствиями выбранного способа построения температурной шкалы. Объективный физический закон состоит в том. что для всех идеальных газов коэффициент о один и тот же. Этот закон называется зпкелюм Рей-д!юеешка (1778 — 1850).
Наличием такого закона. как уже отмечалось выше, и объясняется предпочтение, отдаваемое идеально-газовой шкале температур перед всеми прочими эмпирическими температурными шкалами. 8. Идеально-газовая шкала температур все же может быть признана вполне удовлетворительной.
Идеальных газов н строгом смысле слова не существует. В поведении реальных газов наблюдаются отступления от законов Бойля -Мариотта и !'сй-.1!юссака, и прятом нс одинаковые для различных газов. Поэтому газовые термометры, наполненные различными газами, дают хотя и близкие., но все же не вполне совпадающие показания. Правда, расхождения между ними стремятся к нулю по мере увеличения степени разрежения газов.
Однако это имеет место не для всех темперагур. При температурах порядка тысячи и нескольких тысяч градусов многоатомныс газы начинают диссоциироватьч т.е. их молекулы распадаются на атомы. При еще более высоких температурах атомы ионизуются, т.е. распадаются на электроны и положительно заряженные ионы.
Благодаря этому газы перестают подчиняться закону Бойля — Мариотта, даже есля их степень разрежения сколь угодно велика. Это показывает, что газовый термометр не пригоден для установления температурной шкалы в области очень высоких тсмпоратур. Газовые термометры не пригодны и для измерения очень низких температур при понижении температуры )Гл. 1 Температура все реальные газы в конце концов конденсируются. Самая низкая температура, которая может быть измерена с помощью газового термометра, составляет примерно 1 К при условии. что терлгометр наполнен гелием при низком давлении.
Рациональная температурная шкала не должна зависеть от индивидуальных свойств термометрического веп1ества. Она должна строиться так, чтобы в принципе можно было измерять любые температуры, как бы высоки или низки они ни были. Этим требованиям удовлетворяет абсолютная термодинамическая шкагла температур, построенная на основе второго ллачшш термодинлгииеш Ее называют также шкалой Кегльвеила. Кельвин впервые предложил эту шкалу в 1848 г.
С ней мы подробно познакомимся в 3 3!. Абсолютная термодинамическая шкала является оглювной температурной итааой в физике. '1'ам, где пригоден газовый термометр, эта шкала практически не отличается от идеально-газовой шкалы температур. Поэтому. в интервш1е от 4 до 1338 К (точка затвердевания золота) абсолютная термодинамическая шкала практически осуществляется с помощью газового термометра. ЗАДАЧА Газовый термометр постоянного объема наполнен неидеальным газом, уравнение состояния которого имеет вид Р Е х(К) = Лг()г)Т. где х()г) и:р)1') — произвольные функции объема, а Т вЂ” температура по шкале идеально-газового термометра, Терл1ол|етр градуируется обычным способом по двум реперным точкам.
Доказать, что его показания будут совпадать с показаниями такого же термометра, яаполненного идеальным газом, если только температуры реперных точек в обоих случаях выбраны одинаковыми. 8 5. Виды термометров 1. Среди различных термометров вне конкуренции по чувствительности. точности измерений и воспроизводимости стоит газовый термичегар, в котором индикатором температуры является давленпе газа при постоянном объеме резервуара термометра.
1Пкала газового терлюметра почти точно совпадает с абсолютной термодинамической шкалой Кельвина, что является большим достоинством термометра. Однако устройство газового термометра и работа с ним довольно сложны — термометры иллеют большие размеры, громоздки и медленно приходят в состояние теплового равновесия. По этим причинам для технических целей газовые термометры применяются редко.
Они довольно редко используются и в физических исследованиях, где с их помощьиз иногда измеряются низкие температуры. Основное назначение газовых термометров состоит в том, что по ним градуируются другие термометры. 1! этой связи газовые термометры называются первичцыжи, а градуированные по ним термол|етры, применяюп1иеся при практических измерениях — вторичными. Не каждый вторичный 25) Ви<1ы термометров 27 термометр должен градуироваться непременно но газовому термометру. Газовые термометры используются для градуировки главным образом в бюро стандартов, метрологических институтах и в некоторых исследовательских лабораториях. Обычно жс для градуировки термометров применяются достаточно точные вторичные термометры, уже нроградуированные ио газовому.
Из вторичных термометров наиболыаес значение имеют оюидкоснь ныс (главным образом ртутные) термометры, термольетры сог~ротоолеяил и термоилеменвгьь 2. Устройство жидкостных термометров общеизвестно, и нет необходилюсти подробно останавливаться на этом вопросе. Жидкостные термометры не отличаются большой точностью. По этой и ряду других причин они не всегда пригодны для физических исследований. Область их применения ограничена со стороны низких температур свойствами жидкостей, а со стороны высоких температур свойствами стекла: нри понижении температуры все используемые жидкости замерзают. при высоких температурах стекло размягчается. Все же жидкостные термометры могут применяться в довольно широкой области температур примерно от -200 до +600'С.
Наиболее употребительными жидкостями, применяемыми в жидкостных термометрах. являются: 1) нентан (от — 200 до +20'С); 2) этиловый спирт (от — 110 до +50'С); 3) толуол (от — 70 до +100'С); 4) ртуть (от — 38,86 до 600'С). Самыми распространенными являются ртутные термометры. Температура кипения ртути нри нормальном атмосферном давлении равна 357'С. При повышении давления она увеличивается (нри давлении в 4 атм до 450'С, а при давлении в 30 атм до 500'С). Поэтому для измерения температур выше 357'С необходимо, чтобы ртуть в капилляре тормометра находилась нод давлением выше атмосферного.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
