Тепловое равновесие

О способах измерения температуры вы узнали. Но какое-либо физическое определение этого понятия пока не дано. Называть температурой «степень нагретости» тела явно некорректно: не ясно, что же такое «степень нагретости». Для определения температуры нужно ввести новое и очень важное понятие — тепловое равновесие.

Чтобы измерить температуру тела, следует подержать медицинский термометр под мышкой 5—8 мин. За это время ртуть в термометре нагревается и уровень ее повышается. По длине столбика ртути можно судить о температуре. То же самое происходит при измерении температуры любого тела любым термометром. Термометр никогда не покажет температуру тела сразу же после того, как он соприкоснулся с ним. Необходимо некоторое время для того, чтобы температуры тела и термометра выравнялись и между ними установилось тепловое равновесие, при котором температура перестает изменяться.

Тепловое равновесие с течением времени устанавливается между любыми телами с различной температурой. Бросьте в стакан с водой кусочек льда и закройте стакан плотной крышкой. Лед начнет плавиться, а вода охлаждаться. Когда лед растает, вода станет нагреваться; после того как она примет температуру окружающего воздуха, никаких изменений внутри стакана с водой происходить не будет.

Из этих и подобных им простых наблюдений можно сделать вывод о существовании очень важного свойства тепловых явлений. Тело при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия. Тепловым, или термодинамическим, равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что не меняются объем и давление, не происходит теплообмен, отсутствуют взаимные превращения газов, жидкостей, твердых тел и т. д. В частности, не меняется объем столбика ртути в термометре. Это означает, что температура системы остается постоянной.

Но микроскопические процессы внутри тела не прекращаются и при тепловом равновесии. Меняются положения молекул, их скорости при столкновениях.

Температура

Если какое-либо тело А (например, вода в одном стакане, рис. 3.5, а) находится в тепловом равновесии с телом С (термометр), а тело В (вода в другом стакане) тоже находится в равновесии с телом С, то тела А и В также находятся в состоянии теплового равновесия*. Если привести стаканы в контакт (рис. 3.5, б), то никаких изменений с водой внутри них не произойдет. Именно поэтому мы можем сравнивать состояния теплового равновесия тел, не приводя их в непосредственный контакт, и ввести понятие температуры.

* Это утверждение иногда называют «нулевым началом термодинамики». «Странный» номер появился потому, что лишь после открытия первого и второго начал (или законов) термодинамики ученым стало ясно, что данное почти очевидное утверждение надо поставить впереди

а) б)

Рис. 3.5

Не надо думать, что при любом равновесии тел А с С и В с С тела А и В обязательно будут в равновесии*. Если опустить в раствор серной кислоты медный и цинковый стержни, то через некоторое время между раствором и стержнем установится равновесие: растворение стержней и осаждение на них каких-либо веществ прекратится. Но между собой стержни не будут в равновесии. Если соединить их проводником, то по нему пойдет электрический ток.

* Вообще говоря, никогда заранее нельзя утверждать, что отношения, имеющиеся между А и С и В и С, обязательно будут и между А и В. Так, если Коля любит Лену и Алеша любит Лену, то любить друг друга Коля и Алеша не обязаны.

Мы говорим, что тела А и В имеют одинаковую температуру, если каждое из них находится в тепловом равновесии с телом С (этим телом может быть термометр). И наоборот, если тела имеют одинаковую температуру, то можно утверждать, не приводя их в непосредственный контакт, что они находятся в состоянии теплового равновесия.

Термодинамическая система может находиться в различных состояниях теплового равновесия. В каждом из этих состояний температура имеет свое, строго определенное значение. Другие величины в состоянии теплового равновесия могут иметь различные (но постоянные) значения. Так, например, объемы различных частей системы и давления внутри них при наличии твердых перегородок могут быть разными. Если вы внесете с улицы мяч, наполненный сжатым воздухом, то спустя некоторое время температуры воздуха в мяче и комнате выравняются. Давление же воздуха в мяче будет по-прежнему больше давления комнатного воздуха.

Температура характеризует состояние теплового равновесия макроскопической системы: во всех частях системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, температура имеет одно и то же значение.

При одинаковых температурах двух тел между ними не происходит теплообмена. Тела находятся в состоянии теплового равновесия. Если же температуры тел различны, то при установлении между ними теплового контакта будет происходить обмен энергией. При этом тело с большей температурой будет отдавать энергию телу с меньшей температурой. Разность температур тел указывает направление теплообмена между ними.