Термодинамічна рівновага - стан системи, при якому залишаються незмінними за часом макроскопічні величини цієї системи (температура, тиск, об'єм, ентропія). Загалом, ці величини не є постійними, вони лише флуктуируют (коливаються) біля своїх середніх значень.
На практиці умова ізольованості означає, що процеси встановлення рівноваги протікають набагато швидше, ніж відбуваються зміни на кордонах системи (тобто зміни зовнішніх по відношенню до системи умов) і здійснюється обмін системи з оточенням речовиною і енергією. Іншими словами, термодинамічна рівновага досягається, якщо швидкість релаксаційних процесів досить велика (як правило, це характерно для високотемпературних процесів) або велике час для досягнення рівноваги (цей випадок має місце в геологічних процесах).
У реальних процесах часто реалізується неповне рівновагу, однак ступінь цієї неповноти може бути істотною і несуттєвою. При цьому можливі три варіанти:
1. рівновагу досягається в будь-якій частині (або частинах) відносно великий за розмірами системи - локальне рівновагу,
2. неповне рівновагу досягається внаслідок різниці швидкостей релаксаційних процесів, що протікають в системі - часткова рівновага,
3. мають місце як локальне, так і часткова рівновага.
Термодинамічної рівноваги І ТЕМПЕРАТУРА
Термодинамічна рівновага - стан системи, при якому її параметри залишаються незмінними як завгодно довгий час при незмінності зовнішніх умов.
Температура - фізична величина, що характеризує стан термодинамічної рівноваги макроскопічної системи і визначає напрямок теплообміну між тілами (від гарячого до холодного).
Міжнародна практична шкала градуюється в градусах Цельсія (° С). \
Реперні точки:
температура замерзання води при атмосферному тиску;
температура кипіння води при атмосферному тиску.
Термодинамічна температурна шкала (абсолютна шкала температур) градуюється в Кельвіна (К). Як реперної точки взята потрійна точка води:. - температура і тиск, при яких лід, вода і насичений пар знаходяться в термодинамічній рівновазі.
Термодинамічна температура (T) і температура по Міжнародній практичній шкалою (t) пов'язані співвідношенням:.
Нехай два тіла мають спочатку різні температури і. .
При теплообміні енергія буде переходити від гарячого тіла холодного.
Теплообмін буде відбуватися до тих пір, поки температури тіл не вирівняються.
Нехай - маса першого тіла, - його питома теплоємність - кількість тепла, яке необхідно передати одному кілограму речовини, з якого зроблено тіло, щоб підвищити його температуру на один градус.
Відповідно і - маса і питома теплоємність речовини другого тіла.
Тоді кількість тепла, яке втратить перше тіло, дорівнює кількості тепла, яке перейде другого, якщо система ізольована:
- рівняння теплового балансу.
З рівняння теплового балансу можна розрахувати сталу при настанні термодинамічної рівноваги температуру:
.
Нульовий початок термодинаміки (загальне початок термодинаміки) - фізичний принцип, який стверджує, що незалежно від початкового стану системи в кінці кінців в ній при фіксованих зовнішніх умовах встановиться термодинамічна рівновага, а також що всі частини системи при досягненні термодинамічної рівноваги матимуть однакову температуру.
Примітка - нульове початок термодинаміки:
Для кожної ізольованою термодинамічної системи існує стан термодинамічної рівноваги, якого вона при фіксованих зовнішніх умовах з плином часу мимоволі досягає.
Щоб виміряти температуру будь-якого тіла, його необхідно привести в тепловий контакт з термометром. Термометр - прилад для вимірювання температури. Основною частиною термометра є термометричні тіло, що приводиться в тепловий контакт з об'єктом, температуру якого треба виміряти. У рідинних термометрах термометричною тілом служить або ртуть, або підфарбований спирт. У термометрах опору термометричною тілом служить металевий дріт, а температура визначається по її електричному опору. Термометр не повинен мати великий маси: масивний термометр змінить температуру того тіла, з яким він приведений в теплової контакт.
Термометр фіксує свою власну температуру, рівну температурі тіла, з яким він перебуває в термодинамічній рівновазі.
Для вимірювання температури можна скористатися залежністю будь макроскопічної величини (обсягу, тиску, електричного опору та ін.) Від температури. На практиці найчастіше використовують залежність об'єму рідини (ртуті, спирту) від температури (рідинні термометри). Необхідно перш за все створити температурну шкалу, що дозволяє приписувати температурі певні числа. Пристрій більшості термометрів засноване на припущенні, що покладене в основу виміру фізичне властивість термометрического тіла лінійно безперервно залежить від температури. Для побудови шкали вибирають дві так звані реперні точки, яким приписуються довільні значення температури, а шкала між ними ділиться на рівні частини. Цим встановлюється одиниця виміру температури. У метричній системі для практичного вжитку прийнята шкала Цельсія (Міжнародна практична шкала температур). При побудові цієї шкали приймають, що при нормальному атмосферному тиску температура плавлення льоду дорівнює 0 ° С, а температура кипіння води 100 ° С (реперні точки). Шкалу між точками 0 і 100 ділять на 100 рівних частин, які називаються градусами. Переміщення покажчика (в рідинних термометрах - кінця стовпчика рідини) на одну поділку відповідає зміні температури на 1 ° С. Позначення температури за шкалою Цельсія - t ° С.
Такі термометри мають істотні недоліки: 1) діапазон температур обмежений: при низьких температурах рідини тверднуть, при високих випаровуються; 2) показання різних термометрів, наприклад ртутного і спиртового, збігаючись при 0 ° С і 100 ° С, не збігаються при інших температурах в силу того, що температурні коефіцієнти об'ємного розширення спирту і ртуті по-різному залежать від температури.
Газовий термометр непридатний для визначення температури в області високих температур, при яких відбувається термічна дисоціація і іонізація, і дуже низьких температур, при яких всі реальні гази конденсуються.
Температ урние шк али, системи порівнянних числових значень температури. температура не є безпосередньо вимірюваною величиною; її значення визначають по температурному зміни будь-якого зручного для виміру фізичного властивості термометрического речовини (див. Термометрія). Вибравши термометрична речовина і властивість, необхідно задати початкову точку відліку і розмір одиниці температури - градуси. Таким чином визначають емпіричні Т. ш. В Т. ш. зазвичай фіксують дві основні температури, відповідні точкам фазових рівноваг однокомпонентних систем (так звані реперні або постійні точки), відстань між якими називається основним температурним інтервалом шкали. В якості реперних точок використовують: потрійну точку води, точки кипіння води, водню і кисню, точки затвердіння срібла, золота та ін. Розмір одиничного інтервалу (одиниці температури) встановлюють як певну частку основного інтервалу. За початок відліку Т. ш. приймають одну з реперних точок. Так можна визначити емпіричну (умовну) Т. ш. з будь-якого Термометрична властивості х. Якщо прийняти, що зв'язок між х і температурою t лінійна, то температура tx = n (xt- х0) / (xn- x0), де xt, x0 і xn - числові значення властивості х при температурі t в початковій і кінцевій точках основного інтервалу , (xn- x0) / n - розмір градуса, п - число ділень основного інтервалу.
Термометр - прилад для вимірювання температури повітря, ґрунту, води і так далі. Існує кілька видів термометрів:
Рідинні термометри засновані на принципі зміни об'єму рідини, яка залита в термометр (зазвичай це спирт або ртуть), при зміні температури навколишнього середовища.
У зв'язку із забороною застосування ртуті в багатьох областях діяльності ведеться пошук альтернативних наповнень для побутових термометрів. Наприклад, такою заміною може стати сплав галінстан.
Про видалення ртуті, що розлилася з розбитого термометра див. Статтю Демеркуризація
Термометри цього типу діють за тим же принципом, що і рідинні, але в якості датчика зазвичай іспользуетсяметалліческая спіраль або стрічка з біметалу.
Принцип роботи електричних термометрів заснований на ізмененіісопротівленія провідника при зміні температури навколишнього середовища.
Електричні термометри більш широкого діапазону засновані натермопарах (контакт між металами сразнойелектроотріцательностью створює контактну різницю потенціалів, що залежить від температури).
Найбільш точними і стабільними в часі є термометри опору на основі платинового дроту або платинового напилення на кераміку. Найбільшого поширення набули PT100 (опір при 0 ° C - 100 # 937;) PT1000 (опір при 0 ° C - 1000 # 937;) (IEC751). Залежність від температури майже лінійна і підпорядковується квадратичним законом при плюсовій температурі і рівняння 4 ступеня при негативних (відповідні константи дуже малі, і в першому наближенні цю залежність можна вважати лінійної). Температурний діапазон -200 - +850 ° C.
Звідси, RT опір при T ° C, R0 опір при 0 ° C, і константи (для платинового опору) -
Оптичні термометри дозволяють реєструвати температуру завдяки зміні рівня світності, спектра та інших параметрів (див. Волоконно-оптичне вимірювання температури) при зміні температури. Наприклад, інфрачервоні вимірювачі температури тіла.
Інфрачервоний термометр дозволяє вимірювати температуру без безпосереднього контакту з людиною. У розвинених країнах вже давно є тенденція відмови від ртутних градусників на користь інфрачервоних не тільки в медичних установах, а й на побутовому рівні.
Інфрачервоний термометр має низку незаперечних переваг, а саме:
* Безпеку використання (навіть при серйозних механічних пошкодженнях ніщо не загрожує здоров'ю)
* Більш висока точність вимірювання
* Мінімальний час проведення процедури (вимірювання проводиться протягом 0,5 секунди)
* Можливість групового збору даних