Термодинамическая температурная шкала. Термодинамическая температура Что такое термодинамическая шкала

Температур, не зависящая от свойств термометрического вещества (начало отсчета - абсолютный нуль температуры). Построение термодинамической температурной шкалы основано на втором начале термодинамики и, в частности, на независимости кпд Карно цикла от природы рабочего тела. Единица термодинамической температуры - кельвин (К) - определяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Большой Энциклопедический словарь . 2000 .

Смотреть что такое "" в других словарях:

См. в ст. Температурная шкала. Физическая энциклопедия. В 5 ти томах. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988 … Физическая энциклопедия

- (см. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия

- (Кельвина шкала), абсолютная шкала температур, не зависящая от свойств термометрического вещества (начало отсчёта абсолютный нуль температуры). Построение термодинамической температурной шкалы основано на втором начале термодинамики и, в… … Энциклопедический словарь

термодинамическая температурная шкала - termodinaminė temperatūros skalė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Temperatūros skalė, pagrįsta absoliučiuoju nuliu, t. y. žemiausia temperatūra, kurią teoriškai galima būtų pasiekti ir kuri yra 273,16 °C žemiau ledo… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

термодинамическая температурная шкала - termodinaminė temperatūros skalė statusas T sritis Energetika apibrėžtis Nepriklauso nuo termometrinės medžiagos ir turi vieną atskaitos tašką – vandens trigubąjį tašką, kuriam suteikta T = 273,16 K vertė. Termodinaminė temperatūros skalė… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

- (Кельвина шкала), абс. шкала темп р, не зависящая от свойств термометрич. в ва (начало отсчёта абс. нуль темп ры). Построение Т. т. ш. основано на втором начале термодинамики и, в частности, на независимости кпд Карно цикла от природы рабочего… … Естествознание. Энциклопедический словарь

См. Температурные шкалы … Большая советская энциклопедия

температурная шкала Кельвина - Термодинамическая шкала температуры (ТК), в которой 0°K=–273.16°C (1K=1°C). Syn.: абсолютная температурная шкала; шкала Келвина … Словарь по географии

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА - ряд числовых точек на шкале термометра, распределённых внутри температурного интервала, ограниченного двумя точками постоянной температуры, принимаемыми за основные главные опорные точки (обычно для одинаковых физ. состояний, напр. температуры… … Большая политехническая энциклопедия

Хаотическое тепловое движение на плоскости частиц газа таких как атомы и молекулы Существует два определения температуры. Одно с молекулярно кинетической точки зрения, другое с термодинамической. Температура (от лат. temperatura надлежащее… … Википедия

См. в ст. Температурная шкала.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА" в других словарях:

- (Кельвина шкала) абсолютная шкала температур, не зависящая от свойств термометрического вещества (начало отсчета абсолютный нуль температуры). Построение термодинамической температурной шкалы основано на втором начале термодинамики и, в частности … Большой Энциклопедический словарь

См. Температурные шкалы … Большая советская энциклопедия

Вспомним, что на практике за 0° условно принимается температура таяния льда при нормальном давлении, а за 100° - температура кипения воды при нормальном давлении. Одна сотая этого интервала температур является практической единицей температуры - градусом Цельсия (°С). Однако при делении интервала между 0 °С и 100 °С на сто равных частей у ртутных и спиртовых термометров их показания совпадают только при 0 °С и при 100 °С. Следовательно, расширение этих веществ при нагревании происходит неравномерно и получить единую температурную шкалу таким способом нельзя.

Чтобы создать единую температурную шкалу, нужно иметь величину, измеиение которой при нагревании или охлаждении не зависело бы от рода термометрического вещества. Такой величиной может служить давление газа, так как температурный коэффициент давления для не слишком плотных газов не зависит от природы газа и имеет такое же значение, как и для идеального газа. Наилучшим термометрическим телом был бы идеальный газ. Поскольку свойства разреженного водорода ближе всего подходят к свойствам идеального газа, то целесообразнее всего измерять температуру по водородному термомегру, который представляет собой закрытый сосуд с разреженным водородом, соединенный с чувствительным манометром. Так как давление и температура водорода связаны соотношением (4.3), то по показанию манометра можно определять температуру.

Шкалу температур, установленную по водородному термометру, у которой 0° соответствует температуре таяния льда, а 100° - температуре кипения воды, называют шкалой Цельсия.

Отметим, что нуль на шкале Цельсия определен условно. Размер градуса тоже определен произвольно. Это означает, что с научной точки зрения допустимо иное построение температурной шкалы.

Целесообразный выбор шкалы температур позволяет упростить формулы и глубже понять физический смысл наблюдаемых закономерностей. С этой целью по предложению Кельвина была введена новая температурная шкала, которая теперь называется термодинамичеекой шкалой температур. Иногда ее называют шкалой Кельвина. По этой шкале за начало отсчета принимается температура абсолютного нуля, а размер градуса определяют так, чтобы он по возможности точно совпадал с градусом Цельсия.

В СИ единица температуры является основной и называется кельвином а для отсчета температуры принимается термодинамическая шкала температур.

По международному соглашению размер кельвина определяется из следующего условия: температура тройной точки воды (§ 12.8) считается точно равной 273,16 К. Следовательно, если температурный интервал между абсолютным нулем и температурой тройной точки воды по шкале водородного термометра разделить на 273,16 части, то одна такая часть и определяет размер кельвина. Так как тройной точке воды соответствует температура то температура таяния льда по новой шкале будет 273,15 К. Поскольку кельвин по величине равен градусу Цельсия, то температура кипення воды при нормальном давлении будет 373,15 К. Для упрощения в дальнейшем температуры таяния льда и кипения воды соответственно будут считаться равными 273 и 373 К.

В гл. I, рассматривая способы измерения температуры, мы отмечали, что при таких измерениях возникает серьезное затруднение. Оно заключается в том, что температурные шкалы, устанавливаемые с помощью различных термометрических тел, не совпадают друг с другом.

Сейчас мы, однако, познакомились с одним свойством, которое совершенно не зависит от рода вещества и которое поэтому может служить безупречным термометрическим свойством для установления температурной шкалы. Свойство это состоит в том, что любое вещество, если его использовать в качестве рабочего тела в обратимой тепловой машине, дает один и тот же коэффициент полезного действия (разумеется, при одних и тех же температурах нагревателя и холодильника).

Если рабочее тело, каково бы оно ни было, поглощает при температуре теплоту и отдает холодильнику при температуре теплоту то справедливо соотношение

Последнее соотношение, справедливое для любого вещества, позволяет использовать машину Карно в качестве своеобразного термометра. Правда, этот «термометр» позволяет определить лишь отношение двух температур а не сами температуры. Но если условиться о том, чтобы одной из этих температур приписать определенное численное значение или выбрать тем или иным образом

размер градуса, то тем самым будет определена и искомая температура.

Таким образом будет установлена температурная шкала, не зависящая от рода вещества, т. е. шкала, физически безупречная.

Поясним примером способ измерения температуры таким необычным «термометром». Пусть требуется измерить температуру некоторого тела, причем никаких термометров, кроме машины Карно, в нашем распоряжении нет.

Возьмем в качестве нагревателя в машине Карно резервуар тепла при температуре кипения воды (измерять эту температуру мы, разумеется, не будем, так как у нас нет термометра для этой цели), а в качестве холодильника - резервуар тепла при температуре тающего льда (которую мы по той же причине также не станем измерять). Условимся еще, что разность температур между нагревателем и холодильником мы разделим на 100 частей (градусов); мы могли бы выбрать и любое другое число, так же как и любые другие резервуары тепла. Кроме машины Карно нам потребуется еще калориметр для измерения количеств теплоты Ведь в «термометре» Карно термометрическая задача превращается в калориметрическую.

Проведем теперь обратимый цикл Карно между выбранными нами нагревателем и холодильником, используя любое рабочее тело (ведь от него ничего не зависит), и измерим количество теплоты Фиагр. полученное от нагревателя, и количество теплоты отданное холодильнику. Обозначим через и температуры (пока неизвестные) кипящей воды, тающего льда и исследуемого тела. Тогда мы можем написать:

Затем проведем еще раз цикл Карно, но с исследуемым телом в качестве холодильника и с прежним нагревателем, или, наоборот, с прежним холодильником, но с исследуемым телом в качестве нагревателя. Измерив опять теплоту, полученную от нагревателя которая останется такой же, как и в первом опыте, и теплоту отданную холодильнику, мы опять сможем написать соотношение

Мы имеем, таким образом, два уравнения (92.2) и (92.3) для определения трех величин и Но мы можем,

кроме того, написать третье уравнение, определяющее размер градуса:

Этих трех уравнений достаточно для определения искомой температуры и величин Тнагр и Тхол.

Остается еще добавить, что мы могли бы пустить нашу тепловую машину и в обратном направлении, так, чтобы она работала как холодильная машина. Тогда нам пришлось бы измерять количество тепла, переданное от холодильника к нагревателю, и величину внешней работы, потраченной на это.

Конечно, никто и никогда не измерял температуру таким необычным способом, к тому же и технически невыполнимым. Но в этом и нет нужды, потому что установленную с помощью машины Карно температурную шкалу можно воспроизвести, используя какое-нибудь конкретное вещество с хорошо известными свойствами. Таким веществом является, например, идеальный газ, для которого точно известно уравнение состояния. Как было показано, формула (92.1) получается, если использовать идеальный газ в качестве рабочего тела в машине Карно. Можно показать, что температуры, измеренные по шкале газового термометра, где температура получается из формулы

в точности совпадают с температурой, которая была бы получена, если бы был проведен описанный выше опыт.

Заметим, что температурная шкала, основанная на свойствах обратимой машины Карно, называется термодинамической шкалой температур. Она была предложена Кельвином и поэтому выраженные в этой шкале температуры измеряются в Кельвинах.

Что касается нуля термодинамической шкалы, то из формулы (80.12) видно, что нулем должна служить температура, при которой В этом случае коэффициент полезного действия машины Карно равен единице, и, следовательно, более низкой температуры быть не может, так как к. . п. д. не может превышать единицу.

Поскольку термодинамическая шкала температур совпадает со шкалой идеального газа, то и нуль шкалы Кельвина совпадает с абсолютным нулем температуры, определенным нами раньше. Следует, впрочем, заметить, что согласно второму началу термодинамики коэффициент полезного действия тепловой машины никогда не может быть равен единице: количество теплоты, полученной от нагревателя, не может быть целиком преобразовано в механическую работу. Поэтому и абсолютный нуль температуры не может быть достигнут.

Теорема Карно позволяет построить температурную шкалу, совершенно не зависящую от индивидуальных особенностей термометрического вещества и устройства термометра. Эта шкала температур предложена У. Томсоном (лордом Кельвином) в 1848 г. Она строится следующим образом. Пусть t 1 и t 2 температуры нагревателя и холодильника, измеренные каким-либо термометром. Тогда, согласно теореме Карно, КПД цикла Карно

где f (t 1 ,t 2) – универсальная функция выбранных эмпирических температур t 1 и t 2 . Ее вид совершенно не зависит от конкретного устройства машины Карно и от рода используемого рабочего вещества. В дальнейшем нам удобнее будет рассматривать более простую универсальную функцию температур

Эта функция легко выражается через f (t 1 ,t 2). Чтобы определить общий вид функции j(t 1 ,t 2), рассмотрим три тепловых резервуара, температуры которых поддерживаются постоянными. Эмпирические температуры этих резервуаров обозначим t 1 , t 2 , t 3 соответственно. Используя их в качестве нагревателей и холодильников, проведем три цикла Карно (a-b-c-d , d-c-e-f , a-b-e-f ), изображенные на рис. 11.1.

При этом температуры на изотермах a-b , d-c , f-e равны t 1 , t 2 , t 3 , а абсолютные значения полученных на изотермах теплот равны Q 1 , Q 2 , Q 3 соответственно. Для циклов a-b-c-d и d-c-e-f можно написать

Исключая отсюда Q 2 , получим

Объединенные вместе, эти два цикла эквивалентны одному циклу Карно a-b-e-f , т.к. изотерма c-d проходится дважды в противоположных направлениях, и ее можно исключить из рассмотрения. Следовательно,

Сравнивая это выражение с предыдущим, получим

Так как правая часть не зависит от t 2 , то данное соотношение может выполняться при любых значениях аргументов t 1 , t 2 , t 3 только если функция j(t 1 ,t 2) имеет вид

Таким образом, j(t 1 ,t 2) представляет собой отношение значений одной и той же функции Q(t ) при t = t 1 и t = t 2 . Так как величина Q(t ) зависит только от температуры, она сама может быть принята за меру температуры тела. Величина Q называется абсолютной термодинамической температурой. Отношение двух термодинамических температур Q 1 и Q 2 определяется соотношением

Тогда КПД цикла Карно может быть записан в виде

. (11.2)

Сравнивая выражение (11.2) с КПД цикла Карно для идеального газа (8.2) можно убедиться, что отношения термодинамических и идеально-газовых температур тепловых резервуаров в цикле Карно совпадают.

Отношение Q 1 /Q 2 в принципе может быть найдено экспериментально. Для этого надо измерить абсолютные значения теплот Q 1 и Q 2 , которые получает рабочее тело в цикле Карно от тепловых резервуаров с температурами Q 1 и Q 2 . Однако значением этого отношения сами температуры Q 1 и Q 2 еще не определяются однозначно.

Для однозначного определения абсолютной термодинамической температуры следует приписать какой-либо температурной точке определенное значение Q, а затем с помощью соотношения (11.1) вычислять температуру любого другого тела. Исходя из точности, с которой удается воспроизводить те или иные характерные температуры, в качестве основной реперной точки была выбрана тройная точка воды, т.е. температура, при которой в равновесии находятся лед, вода и водяной пар (давление при этом Р тр = 4,58 мм. рт. ст.). Этой температуре приписано значение Т тр = 273,16 К точно. Такая величина реперной температуры выбрана для того, чтобы обеспечить совпадение термодинамической температуры с идеально-газовой в пределах применимости последней.

Построенная температурная шкала называется абсолютной термодинамической шкалой температур (шкалой Кельвина).

Машина Карно позволяет лишь принципиально построить температурную шкалу. Для практических измерений температуры она непригодна. Однако многочисленные следствия второго начала термодинамики и теоремы Карно позволяют найти поправки к показаниям реальных термометров, приводящие эти показания к абсолютной термодинамической шкале. Для этой цели можно использовать любое точное термодинамическое соотношение, в которое помимо температуры Т входят только экспериментально измеримые величины.