Теплота. Тепловое равновесие. Нулевое начало термодинамики

Для теплоты принята следующая система знаков. Поступающая в систему энергия в виде теплоты является положительной, а уходящая из системы теплота считается отрицательной.

Если энергия поступает или теряется системой в форме теплоты, то некоторые ее параметры изменяются. Например, газ, находящийся при постоянном давлении, увеличивает свой объем при нагревании. Если же газ находится при постоянном объеме, то получение теплоты системой приводит к возрастанию его давления. Потеря системой теплоты приводит соответственно к уменьшению объема или давления этого газа.

Возьмем две заключенные в диатермические оболочки системы, которые условно обозначим A и B, и приведем их в контакт. При этом возможны три случая:

· теплота переходит из системы A в систему B,

· теплота переходит из системы B в систему A,

· теплота не переходит из одной системы в другую, хотя диатермическая оболочка такой передаче не препятствует.

Первые два случая представляют собой теплообмен, а последний - тепловое равновесие.

Опыт свидетельствует, что теплота может передаваться из системы в среду (или в другую систему) и наоборот до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие.

Один из основных законов термодинамики, получивший название нулевого закона(кроме того, применяются названия: нулевой постулат, нулевое начало) термодинамики, определяет основную особенность теплового равновесия следующим образом:

Если система А находится в тепловом равновесии с системой С, а система В находится в тепловом равновесии с системой С, то системы А и В также находятся в тепловом равновесии (транзитивность теплового равновесия).

Из нулевого закона следует способ нахождения критерия, с помощью которого можно установить возможность теплового равновесия. Для этого вообразим, что имеется ряд достаточно больших внутренне равновесных систем, которые обозначим A, B, C, D, E, F ... . Пусть кроме них имеется очень маленькая также внутренне равновесная система a. Все перечисленные системы заключены в диатермические оболочки. Если последовательно прикладывать систему a к каждой из больших систем, то через определенное время, возможно, даже очень значительное, между системой a и контактирующей с ней крупной системой установится тепловое равновесие. Так как система a во много раз меньше контактирующей с ней системы, то к системе a или от нее может перейти лишь незначительная часть энергии контактирующей с ней системы. Это означает практически постоянство свойств большой системы при подобном контакте. Доступное измерению свойство системы a в состоянии теплового равновесия с большой системой запишем. В качестве такого свойства можно использовать объем газа, заполняющего сосуд при постоянном давлении, или его давление при постоянном объеме. Для этих же целей может быть использована длина металлической проволоки, которая также может использоваться в качестве системы a, и т.д.

Совпадение параметра системы a при тепловом равновесии с различными системами означает существование теплового равновесия между ними. Более того, параметр системы a может быть использован для того, чтобы установить направление перехода энергии в виде теплоты при возможном контакте крупных систем. Например, если объем системы a, находящейся в тепловом равновесии с системой А, равен 1,123×10^-6 м³, а при равновесии с системой В - 1,148×10^-6 м³ (при том же давлении), то теплота переходит из системы В в систему А.

Принятое в качестве критерия теплового равновесия макросистем свойство миниатюрной системы a получило название эмпирической температуры, а сама система a является произвольным термометром.

Принципиально число температурных шкал для эмпирической температуры не имеет ограничений, так как не имеет ограничений число конструкций произвольных термометров. Этим может вызываться несопоставимость температурных измерений, проводимых разными авторами.

Представим себе, как должны чувствовать себя исследователи при обсуждении результатов, если один из них выражает температуру длиной медной проволоки, которая в точке таяния льда составляла 15 см, другой - объемом 0,05 г газообразного водорода при атмосферном давлении, третий - давлением 0,08 г азота, заключенного в сосуд объемом 3 см³ и т.п.

В связи с необходимостью сопоставлять результаты, полученные разными авторами, и включать накопленные данные в справочники число температурных шкал со временем уменьшалось. В настоящее время осталась единственная температурная шкала, в которой температура выражается в Кельвинах. Она получила название абсолютной шкалы температур.

Наиболее подходящим для измерения абсолютной температуры прибором может служить газовый термометр, представляющий собой сосуд, заполненный низкомолекулярным газом (водородом, гелием) при низком давлении. Давление этого газа при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре. Для построения температурной шкалы в таком случае необходимы две точки. Одна из них соответствует минимальной температуре, которая должна быть равна 0 К, а другая точка выбирается при условии, что температура, при которой неограниченно долго могут находиться вместе жидкая вода, лед и водяной пар, имеет температуру, равную 273 К.

Температура является еще одним параметром системы. Так как тепловое равновесие систем не зависит от их масс, то этот параметр интенсивный.