Тепловые явления. Характеристики тепловых явлений

 

Задумываемся ли мы над тем, что нас непосредственно окружает? Например, в комнате. Какое разнообразие! В комнате имеются объекты живые и не живые. Причем живые — это не только люди, но и бактерии, насекомые (не буду их называть). Имеются органические материалы — древесина, волокна льна, шерсти. Есть неорганические материалы — сталь, стекло, кирпич, мел. А краски? А воздух? Разнообразны формы, обработка, назначения. Различие во всем, но есть и общее — все состоит из молекул (атом — это тоже частный вид молекулы).

Это внутреннее единство должно проявляться в какой-то характеристике, единой для окружающих предметов.

Чтобы выделить эту характеристику, заметим, что все тела вокруг (в комнате) можно разделить на два типа. Первый тип — предметы, не имеющие связи с «внешним миром». Это столы, стулья, шторы, мел, доска и многое другое. Второй тип — тела, имеющие такую связь. Это батареи отопления, в которые по трубам поступает горячая вода. Это лампы, в которые по проводам приходит электрический ток. Это люди, которые недавно пришли и скоро уйдут. Так вот, у всех предметов, не связанных с «внешним миром» и находящихся в такой изолированной системе достаточно долго, независимо от их разнообразнейших различий одинакова температура. Если прервать связь тел с внешним миром, то и эти тела через некоторое время также будут иметь ту же температуру. И горячие лампы, и батареи, и живые организмы, если прервать их связь с внешним миром, изолировать, через какое-то время, большее или меньшее, придут в равновесие — тепловое равновесие с окружением — и будут иметь ту же температуру.

Теперь предстоит научиться описывать количественно процессы (тепловые явления), характерные для больших совокупностей (ансамблей) молекул — макроскопических («больших») тел.

Раздел физики, изучающий тепловые явления, называется термодинамикой. Представления о молекулярном строении тел составляют содержание молекулярно-кинетической теории (часто пишут и говорят аббревиатуру МКТ) или, как говорят, статистической физики, физики больших ансамблей частиц (например, молекул).

В теории тепловых явлений единственная новая основная величина — это температура.

Из простых наблюдений, вроде тех, что мы только что обсудили, можно сделать вывод о существовании очень важного общего свойства тепловых явлений. Сформулируем его: тело при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит (за некоторое время) в состояние теплового равновесия с окружающими телами. Или другими словами, температура тела, за которым ведется наблюдение, и температура окружающих тел станут одинаковыми. В этом состоянии другие характеристики (объемV, давлениер, число молекулN, массат, плотность ρ) остаются неизменными. В состоянии теплового равновесия тела могут находиться сколь угодно долго.

Говорят, что тела имеют одинаковую температуру, если каждое из них находится в тепловом равновесии с третьим телом.

Температура — единственная величина, которая имеет одно и то же значение в любой части системы при тепловом равновесии.

Температура (Т или t), объем, давление и другие, перечисленные ранее, характеристики называются параметрами состояния системы. Познакомимся с ними.

Объем, вместимость — геометрическая характеристика тела. Единица измерения — кубический метр (м3). Часто объем измеряется в литрах: 1 л = 10–3м3.

Давление р = dF / dS — сила, действующая на единицу площади поверхности перпендикулярно к ней. Единица измерения — паскаль (Па). Употребляют также единицы: атмосфера (1 атм. = 1013 ⋅ 102 Па ≈ 105 Па) и миллиметр ртутного столба (1 атм. = 760 мм рт. ст., т. е. 1 мм рт. ст. ≈ 134 Па).

Как уже отмечалось, важнейшей характеристикой тепловых явлений является температура Т. Единица измерения — кельвин, или градус Кельвина (К). Величина градуса Цельсия (°С) совпадает с величиной градуса Кельвина. Лучше даже, наверное, сказать наоборот: градус Кельвина имеет ту же величину, что и градус Цельсия. Температура же по шкале Цельсия связана с температурой по Кельвину соотношением t = Т – 273.

Вместо числа молекул N — обычно очень большого числа — вводят другую характеристику, называемую количеством вещества:

(1.1)

Единица измерения количества вещества — моль, а число Авогадро (мера числа молекул) NА = 6 ⋅ 10231/моль («штук» в одном моле). Умножая числитель и знаменатель этой формулы на массу одной молекулы т 0, получим:

(1.2)

Очевидно, что т — масса тела, состоящего из N молекул, а М — молекулярная (молярная) масса, масса NА молекул. Число NА = 6 ⋅ 1023 1/моль выбрано не случайно, а так, чтобы получилось совпадение числовых значений с молекулярной массой, измеренной в атомных единицах массы (а.е.м.).

(1.3)

В атомных единицах массы записаны массы атомов всех элементов в таблице Менделеева. Именно поэтому, подсчитав массу молекулы по таблице Менделеева, можно записать молярную массу — то же число, но в граммах на моль (г/моль, и не забыть перевести потом в килограммы на моль (кг/моль)).

Наконец, отметим, что вместо объема V часто вводят как характеристику состояния — плотность, равную ρ = m / V.