Основные понятия о термодинамическом величине

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Основные понятия о термодинамическом величине

1.1 Законы термодинамики

1.2 Применение термодинамики

2. Общие сведения об измерении температур. Термодинамические параметры

2.1 Термодинамическая температура

2.2 Термодинамическая температурная шкала

2.3 Единицы термодинамической температуры

2.4 Недостатки существующих размерности и единицы термодинамической температуры

2.5 История поиска приемлемого решения

2.6 Температура на разных уровнях структурного строения материи

Список используемой литературы



Введение

Метрология - это наука, об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Объектом метрологии являются физические величины. Существуют различные физические объекты, обладающие разнообразными физическими свойствами, количество которых неограниченно. Человек в своем стремлении познать физические объекты -- объекты познания -- выделяет некоторое ограниченное количество свойств, общих для ряда объектов в качественном отношении, но индивидуальных для каждого из них в количественном отношении. Такие свойства получили название физических величин. Понятие «физическая величина» в метрологии, как и в физике, физическая величина трактуется как свойство физических объектов, общее в качественном отношении многим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта, т.е. как свойство, которое может быть для одного объекта в то или иное число раз больше или меньше, чем для другого (например, длина, масса, плотность, температура, сила, скорость). Количественное содержание свойства, соответствующего понятию «физическая величина», в данном объекте -- размер физической величины. Размер физической величины существует объективно, вне зависимости от того, что мы знаем о нем.

Совокупность величин, связанных между собой зависимостями, образуют систему физических величин.

Одной из основных физических величин,  применяемые при описании состояний и процессов в термодинамических системах, являются термодинамическими величинами. Термодинамика - наука, изучающая законы превращения энергии и особенности процессов этих превращений.

Термодинамика изучает:

- возникла как наука тепловых процессов, рассматриваемых с точки зрения энергетических преобразований;

- не рассматривает явления с точки зрения движения молекул;

- не рассматривает явления с точки зрения движения молекул;

- термодинамический метод широко используется в других разделах физики, химии, биологии;

- как и любая физическая теория или раздел физики, имеет свои границы применимости.

Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, взаимодействующих, как между собой, так и с окружающей средой. Все тела находящиеся за пределами границ рассматриваемой системы называются окружающей средой. Поскольку одно и тоже тело, одно и тоже вещество при разных условиях может находиться в разных состояниях, (пример: лед - вода - пар, одно вещество при разной температуре) вводятся, для удобства, характеристики состояния вещества - так называемые параметры состояния. Перечислим основные параметры состояния вещества: Температура тел - определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла между телами. [1]

термодинамика температура размерность материя



1. Основные понятия о термодинамическом величине

Термодинамическими величинами называют физические величины, применяемые при описании состояний и процессов в термодинамических системах.

Термодинамика рассматривает эти величины как некоторые макроскопические параметры и функции, присущие системе, но не связанные с её микроскопическим устройством. Вопросы микроскопического устройства изучает статистическая физика.

Функции состояния зависят только от текущего состояния системы и не зависят от пути, по которому система пришла в это состояние.

Функции состояния в термодинамике включают:

- температуру;

- давление;

- объём;

- энтропию;

- термодинамические потенциалы.

В зависимости от выбранной модели некоторые из этих величин, строго говоря, могут быть не функциями, а независимыми переменными.

Эти величины не являются независимыми. Связь между термодинамическими параметрами для конкретной системы называется уравнением состояния.

В случае, если известно каноническое уравнение состояния, задание любой пары параметров из следующих:

- энтропия и объём;

- энтропия и давление;

- температура и объём;

- температура и давление;

позволяет вычислить остальные два параметра.

Функции процесса зависят не только от текущего состояния системы, но также и от пути, по которому система пришла в данное состояние.

Функции процесса в термодинамике включают:

- количество теплоты;

- термодинамическую работу.

Эти величины, однако, могут быть «превращены» в функции состояния с помощью интегрирующего множителя:

; (1)

, (2)

где  - энтропия;

Q - теплота фазового вращения;

Т - постоянная температура.

Р - давление;

V - объём.

1.1 Законы термодинамики

Законы термодинамики, начала термодинамики, в принципе, -- физические законы, описывающие особенности передачи тепла и работы в термодинамических процессах; начиная с концепции стали одними из самых важных во всей физике и других ветвях науки, связанных с термодинамикой; часто связываются с понятиями, далекими от того, что непосредственно заявлено в их формулировке.

Первое установленное начало термодинамики, которое в конечном счете стало «Вторым законом», было сформулировано Сади Карно в 1824. К 1860, в результате открытий в работах Рудольфа Клаузиуса и Вильяма Томсона, было уже два установленных «начала» термодинамики, первое начало и второе начало. Спустя годы, эти начала превратились в «законы». В 1873, например, термодинамик Джозайя Уиллард Гиббс в его «Графических методах в термодинамике жидкостей» ясно заявил о существовании двух абсолютных законов термодинамики: Первого закона и Второго закона. Теперь, открыто в общей сложности пять законов. За последние 80 лет различные авторы иногда предлагали добавить ещё законы, но ни один из них не был широко признан.

Нулевой закон термодинамики - физический принцип, утверждающий, что вне зависимости от начального состояния системы в конце концов в ней при фиксированных внешних условиях установится термодинамическое равновесие, а также что все части системы при достижении термодинамического равновесия будут иметь одинаковую температуру. Если каждая из двух термодинамических систем находится в тепловом равновесии с некоторой третьей, то они находятся в тепловом в тепловом равновесии друг с другом.

Краткий обзор:

(3)

Первый закон термодинамики характеризует собой количественное выражение закона сохранения и превращения энергии: «энергия изолированной системы при всех изменениях происходящих в системе сохраняет постоянную величину».

Краткий обзор:

(4)

Второй закон термодинамики характеризует качественную сторону и направленность процессов, происходящих в системе. Второе начало термодинамики отражает принципы существования абсолютной температуры и энтропии, как функций состояния, и возрастания энтропии изолированной термодинамической системы. Важнейшим следствием второго начала является утверждение о невозможности осуществления полных превращений теплоты в работу.

Краткий обзор:

(5)

Третьи закон термодинамики (закон Нерста) гласит о том, что при абсолютном нуле температур все равновесные процессы происходят без изменения энтропии.

Краткий обзор:

(6)

Четвертый закон термодинамики - любая неравновесная система обладает такими свойствами, называемыми кинетическими, которые определяют особенности протекания неравновесных процессов в направлении, указываемым вторым законом термодинамики, и от которых не зависят термодинамические силы, движущие эти неравновесные процессы.

Краткий обзор:

; (7)

(8)

1.2 Применение термодинамики

Важными областями применения термодинамики являются теория равновесия химического и теория фазового равновесия, в частности равновесия между разными агрегатными состояниями и равновесия при расслоении на фазы смесей жидкостей и газов. В этих случаях в процессе установления равновесия существенную роль играет обмен частицами вещества между разными фазами, и при формулировке условий равновесия используется понятие химического потенциала. Постоянство химического потенциала заменяет условие постоянства давления, если жидкость или газ находятся во внешнем поле, например поле тяжести. Методы термодинамики эффективно применяются при изучении тех явлений природы, в которых существенную роль играют тепловые эффекты. В термодинамике принято выделять разделы, относящиеся к отдельным наукам и к технике (химическая термодинамика, техническая термодинамика и т. д.), а также к различным объектам исследования.[2]



2. Общие сведения об измерении температур. Термодинамические параметры

Термодинамическим потенциалом называют функцию состояния, зависящую от термодинамических параметров.

Для описания состояния системы можно использовать любую пару из термодинамических параметров.

Каждому выбору параметров соответствует свой термодинамический потенциал.

Термодинамические параметры - температура, плотность, давление, объем, удельное электрическое сопротивление и другие физические величины:

- однозначно определяющие термодинамическое состояние системы;

- не учитывающие молекулярное строение тел;

- описывающие их макроскопическое строение.

Основные термодинамические параметры давление, температура и удельный объем, характеризующие состояние термодинамической системы.

2.1 Термодинамическая температура

Термодинамическую температура - физическая величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

Термодинамическая температура отсчитывается по термодинамической шкале температур. А эта шкала основана на втором начале термодинамики и увязана с циклом Карно и обратимым термодинамическим процессом. ”В качестве единственной реперной точки термодинамической температурной шкалы взята тройная точка воды”. Сейчас принята международная температурная шкала МТШ-90, в которой в качестве реперных точек выбраны дополнительно свойства других веществ.

В статистической физике (молекулярно-кинетической теории газов) термодинамическая температура T входит в уравнение для средней кинетической энергии поступательного движения W_k молекулы идеального газа:

W_k = mы²/2 = 3kT/2 , (9)

где m - инертная масса молекулы;

ы- среднеквадратичная скорость молекулы;

k - постоянная Больцмана.

Менделеев сказал следующее: ”Поскольку понятие температуры тесно связано с усредненной кинетической энергией частиц, было бы естественным и в качестве единицы ее измерения использовать джоуль. Однако, энергия теплового движения частиц очень мала по сравнению с джоулем, поэтому использование этой величины оказывается неудобным. Тепловое движение измеряется в других единицах, которые получаются из джоулей посредством переводного коэффициента k”. И далее: ”Температура ? это искусственно введенный в уравнение состояния параметр”.

Так что причины того, что стали использовать понятие ”термодинамическая температура”, чисто исторические и метрологические. Из всех приведенных цитат следует, что в современной физике крепнет мнение о том, что единицей температуры должна быть единица энергии, даже если используются переводные коэффициенты. Известно также, что сам Л.Больцман измерял температуру в единицах энергии, что соответствует выбору значения постоянной Больцмана k = 1. Более того, сама постоянная Больцмана введена не им, а в 1900 г. М.Планком, и М.Планком же рассчитано значение постоянной Больцмана k = 1,346.10^-16 эрг/град



2.2 Термодинамическая температурная шкала

Для измерения температуры применяются приборы, основанные на определении тех или иных физических свойств вещества, изменяющихся с изменением температуры. Эти приборы градуируются в соответствии с принятой температурной шкалой. Однако при установлении той или иной температурной шкалы возникают принципиальные трудности, связанные с тем, что свойства каждого вещества по-разному изменяются в одном и том же интервале температур. Например, конструкция многих термометров основана на явлении расширения жидкости при увеличении температуры; таковы хорошо известные термометры с ртутным или спиртовым столбиком, длина которого увеличивается с ростом температуры. Но значения температурного коэффициента расширения даже для одной и той же жидкости различны при различных температурах, что создает сложности при установлении температурной шкалы. В 1742 г. шведский физик А. Цельсий предложил приписать точке плавления льда температуру 0°, а точке кипения воды 100°, а интервал между ними разделить на сто равных частей*. Однако если разделить на сто равных частей столбик ртути между точками плавления льда и кипения воды, то, учитывая зависимость коэффициента расширения ртути от температуры, выясним, что одно и то же приращение длины столбика ртути будет соответствовать различным приращениям температур. Цена деления равномерной шкалы, построенной по различным термометрическим жидкостям, будет различной. Если, например, заполнить термометр водой, то при нагреве такого термометра от точки плавления льда можно увидеть удивительную картину: вместо того чтобы с повышением температуры перемещаться вверх, столбик воды начнет опускаться вниз ниже уровня, соответствующего точке плавления льда. Оказывается, плотность воды при атмосферном давлении имеет максимальное значение при температуре 3,98 °С. Следовательно, при нагреве от 0 до 3,98 °С объем воды будет уменьшаться (а значит, будет опускаться столбик водяного термометра) .

В Прошлом температурные шкалы устанавливались по различным термометрическим веществам, но затем было определено, что одним из наиболее удобных термометрических веществ является идеальный газ. В самом деле, уравнение Клапейрона позволяет определить температуру с помощью соотношения:

T = pv/R.  (10)

Если, например, измерить давление близкого по свойствам к идеальному газа, заключенного в сосуде постоянного объема (u=const), то таким образом можно установить температурную шкалу (так называемая идеально-газовая шкала) . Преимущество этой шкалы состоит в том, что давление идеального газа при v = const линейно изменяется с температурой.

2.3 Единицы термодинамических температур

Механические единицы не позволяют решать все научные и технические задачи без привлечения каких-либо других соотношений. Хотя работа, совершаемая при перемещении массы против действия силы, и кинетическая энергия некой массы по своему характеру эквивалентны тепловой энергии вещества, удобнее рассматривать температуру и теплоту как отдельные величины, не зависящие от механических.

Термодинамическая шкала температуры. Единица термодинамической температуры Кельвина (К), называемая кельвином, определяется тройной точкой воды, т.е. температурой, при которой вода находится в равновесии со льдом и паром. Эта температура принята равной 273,16 К, чем и определяется термодинамическая шкала температуры. Данная шкала, предложенная Кельвином, основана на втором начале термодинамики. Если имеются два тепловых резервуара с постоянной температурой и обратимая тепловая машина, передающая тепло от одного из них другому в соответствии с циклом Карно, то отношение термодинамических температур двух резервуаров дается равенством:

T2 /T1 = -Q2Q1, (11)

где Q2 и Q1 - количества теплоты, передаваемые каждому из резервуаров (знак «минус» говорит о том, что у одного из резервуаров теплота отбирается). Таким образом, если температура более теплого резервуара равна 273,16 К, а теплота, отбираемая у него, вдвое больше теплоты, передаваемой другому резервуару, то температура второго резервуара равна 136,58 К. Если же температура второго резервуара равна 0 К, то ему вообще не будет передана теплота, поскольку вся энергия газа была преобразована в механическую энергию на участке адиабатического расширения в цикле. Эта температура называется абсолютным нулем. Термодинамическая температура, используемая обычно в научных исследованиях, совпадает с температурой, входящей в уравнение состояния идеального газа:

PV = RT, (12)

где P - давление;

V - объем;

R - газовая постоянная.

Уравнение показывает, что для идеального газа произведение объема на давление пропорционально температуре. Ни для одного из реальных газов этот закон точно не выполняется. Но если вносить поправки на вириальные силы, то расширение газов позволяет воспроизводить термодинамическую шкалу температуры.

Международная температурная шкала. В соответствии с изложенным выше определением температуру можно с весьма высокой точностью (примерно до 0,003 К вблизи тройной точки) измерять методом газовой термометрии. В теплоизолированную камеру помещают платиновый термометр сопротивления и резервуар с газом. При нагревании камеры увеличивается электросопротивление термометра и повышается давление газа в резервуаре (в соответствии с уравнением состояния), а при охлаждении наблюдается обратная картина. Измеряя одновременно сопротивление и давление, можно проградуировать термометр по давлению газа, которое пропорционально температуре. Затем термометр помещают в термостат, в котором жидкая вода может поддерживаться в равновесии со своими твердой и паровой фазами. Измерив его электросопротивление при этой температуре, получают термодинамическую шкалу, поскольку температуре тройной точки приписывается значение, равное 273,16 К.

Существуют две международные температурные шкалы - Кельвина (К) и Цельсия (С). Температура по шкале Цельсия получается из температуры по шкале Кельвина вычитанием из последней 273,15 К.

Точные измерения температуры методом газовой термометрии требуют много труда и времени. Поэтому в 1968 была введена Международная практическая температурная шкала (МПТШ). Пользуясь этой шкалой, термометры разных типов можно градуировать в лаборатории. Данная шкала была установлена при помощи платинового термометра сопротивления, термопары и радиационного пирометра, используемых в температурных интервалах между некоторыми парами постоянных опорных точек (температурных реперов). МПТШ должна была с наибольшей возможной точностью соответствовать термодинамической шкале, но, как выяснилось позднее, ее отклонения весьма существенны.

Температурная шкала Фаренгейта. Температурную шкалу Фаренгейта, которая широко применяется в сочетании с британской технической системой единиц, а также в измерениях ненаучного характера во многих странах, принято определять по двум постоянным опорным точкам - температуре таяния льда (32° F) и кипения воды (212° F) при нормальном (атмосферном) давлении. Поэтому, чтобы получить температуру по шкале Цельсия из температуры по шкале Фаренгейта, нужно вычесть из последней 32 и умножить результат на 5/9.

2.4 Недостатки существующих размерности и единицы термодинамической температуры

Размерность И и единица измерений К (Кельвин) присвоены термодинамической температуре в СИаприорно, а численные значения температуры определяются по шкале, составленной для идеального газа и обратимого процесса. По этому поводу хорошо выразился А.Чуев: ”Если температуре приписать свою особую размерность, например - И, как это сделано в СИ, то практически теряется возможность выяснения ее физической сути (то, в чем измеряют, само не измеримо)”.

Очень образно охарактеризовал эту неопределенную ситуацию видный системотехник Д.Конторов: ”Введение температуры, условной шкальной величины, в число основных явно преследует практическую цель - потрафить привычности и широкой распространенности термометра как измерительного прибора. Температура определяет кинетическую энергию молекул вещества и количество тепла. Введение основной единицы - кельвина - приводит к сложной и труднопонимаемой физически размерности теплоёмкости

L²MT^?2И^?1, (13)

то есть энергии, поделенной на температуру… Между тем совершенно ясно, что физическая природа температуры - энергетическая, а единица кельвин условна”.



2.5 История поиска приемлемого решения

Попробуем в рамках системного подхода записать применительно к тепловой форме движения уравнение для определения модуля разности потенциалов:

ДТ =(dQ/dИ), (14)

где ДТ - модуль разности потенциалов (в тепловой форме движения это модуль температурного напора);

dQ- изменение энергообмена (в тепловой форме движения ? изменение теплообмена);

dИ - приращение количества энергоносителей (в тепловой форме движения это приращение теплового заряда). Как видим, в тепловой форме движения температурный напор ДТ является производной физической величиной, зависящей от приращения теплового заряда dИ. Но каковы же тогда размерность и единица самого теплового заряда?

Если учесть, что в СИ размерность температурного напора равна И, то, согласно уравнению (14), размерность теплового заряда должна быть равной (dim Q)/И, а единица теплового заряда, соответственно, должна быть равной Дж/К (Джоуль на Кельвин). Согласно обобщенному уравнению состояния системы для упорядоченной тепловой формы движения изменение теплообмена dQ, как частный случай изменения энергообмена dW, равно:

dQ =ДТ dИ  (15)

Будем в уравнении (15) под приращением теплового заряда dИ понимать вошедшее в систему количество энергоносителей лишь упорядоченной тепловой формы движения, не отождествляя его с полным приращением теплообмена, как суммой энергий упорядоченного и неупорядоченного теплового движения. И тогда мы приходим к парадоксальному, на первый взгляд, выводу о том, что основная идея теории теплорода оказывается верной, если только под теплородом понимать не общее количество вошедшей теплоты, а количество вошедшей тепловой энергии упорядоченного теплового движения, ассоциированное с приращением теплового заряда. Кстати, именно так и понимал эту ситуацию С.Карно, он не отождествлял тепловую энергию с полным приращением теплообмена.

В соответствии с такой интерпретацией тепловой поток должен рассматриваться не как поток всей тепловой энергии, а как поток упорядоченной части тепловой энергии, то есть как поток теплового заряда. Именно тепловой заряд и может накапливаться в системе. Поэтому в тепловой форме движения энергоёмкость системы следует рассматривать, как ёмкость по отношению к тепловому заряду, а не как ёмкость по отношению к количеству теплоты.

2.6 Температура на разных уровнях структурного строения материи

Приведем один из вариантов схемы структурного строения материи удобный тем, что на нем имеется температурная ось. Прежде всего заметим, что та термодинамическая температура Т, которая присутствует в уравнении:

W_k = 3kT/2 = фT/2 (16)

относится только к подуровню "Макровещество" уровня "Вещество". Только этот подуровень изучает термодинамика. Вышележащие подуровни и уровни изучают атомная физика, квантовая оптика и другие науки, а нижележащие подуровни изучает космология. И по этой причине на всех иных подуровнях и уровнях следует говорить просто о температуре, а не о термодинамической температуре.

Тем не менее, форма записи уравнения (16) сохраняется. С той лишь разницей, что на каждом подуровне вместо термона ф должен присутствовать свой единичный заряд, присущий только данному подуровню, с иным, чем у термона, числовым значением. Размерность и единица температуры при этом не меняются, но изменяется числовое значение температуры. На вышележащих подуровнях и уровнях числовое значение единичного заряда уменьшается, а числовое значение температуры увеличивается, на нижележащих подуровнях и уровнях-наоборот.[3]



Список используемой литературы

Вейник А.И., Термодинамика. 3-е изд. - Минск, Высшая школа,

1968.- 464 с.

Вейник А.И., Термодинамика реальных процессов. - Минск: «Наука и техника», 1991.-576 с.

Коган И.Ш., Обобщение и систематизация физических величин и понятий. - Хайфа, 2006.-207 с.

Геращенко О. А., Федоров В. Г., Тепловые и температурные измерения. Справочное руководство. Киев, 1965.-496 с.

Румер. Ю.Б., Рыбкин.М.Ш., Термодинамика, статистическая физика и кинетика. Наука, 1977.-597 с.

Размещено на Allbest.ru