теплоємності процесів

9.1.6. Термодинамічна шкала температур.
Теорема Нернста - третій початок термодинаміки

Температура відноситься до інтенсивних термодинамічних параметрів стану тел. Визначення її здійснюється через екстенсивні властивості тіл, наприклад, через зміну об'єму рідини в побутовому термометрі. Для таких термометрів можуть бути прийняті різні рівномірні температурні шкали, в яких можуть бути прийняті однаковими значення температур тільки в двох опорних точках. При всіх інших значеннях температур різні термометри даватимуть різні показання.

Наприклад, візьмемо два рідинних термометра з різними властивостями рідин в них (ріс.9.12). В циліндричних стовпчиках цих термометрів можна домогтися однакового рівня при температурі t0 шляхом їх наповнення при даній температурі, при цьому можна підібрати діаметри циліндрів таким чином, щоб при температурі t1 їх рівні теж були однаковими. Однак в цих циліндрах при температурах відмінних від t0 і t1 рівні рідин не збігатимуться, завдяки різним змінам обсягів рідин з різними термодинамічними властивостями.

Залежністю температурної шкали від властивостей речовини, що використовується в термометрі, пояснюється наявність різноманіття цих шкал: Цельсія, Реомюра, Фаренгейта і т.д. Все це ускладнює використання їх показань для виконання розрахунків і зіставлення термодинамічних параметрів різних речовин.

Теорема Карно дозволяє обгрунтувати абсолютну термодинамічну шкалу температур, яка не залежить від властивостей речовин.

Принцип побудови такої шкали заснований на створенні послідовної ланцюжка циклів Карно, кожен з яких використовує q2 попереднього циклу, як q1 для наступного циклу (ріс.9.13). Наприклад, в циклі 1 234 відбувається робота lt. а його відведена теплота q2 використовується у вигляді підведеної теплоти q1 в циклі 4356 і т.д. Прийнявши роботу всіх циклів однакової lt = const, одержимо рівність змін температур для кожного циклу # 916; T = const, оскільки всі вони здійснюються в однакових діапазонах зміни ентропії # 916; s = const.

Виходить, що зміна температури пропорційно роботі в Цикл Карно.

Побудована на такому принципі температурна шкала буде абсолютною, тобто що не залежить від властивостей речовини, оскільки показники економічності циклу Карно не залежить від властивостей робочого тіла. В такому термометрі, використовуючи будь-яка речовина, зробивши однакову роботу, отримаємо однакове зміна його температури.

У міжнародній системі одиниць СІ в якості одиниці абсолютної - термодинамічної шкали температур прийнятий Кельвін (назва на честь Томсона лорда Кельвіна, котрий обгрунтовував в 1848 р абсолютну термодинамічну шкалу температур).

Кельвін - одиниця виміру температури по термодинамічної шкалою, для якої потрійний точці води відповідає значення 273,16 К. Це число вибрано виходячи з того, щоб один градус Цельсія дорівнював одному градусу Кельвіна. Температура танення льоду при нормальному тиску на 0,01 0 С нижче температури потрійної точки води, отже, 0 0 С відповідає 273,15 К.

Однак практично реалізувати оборотний цикл Карно неможливо, тому на практиці для вимірювання абсолютної температури використовують газові термометри, в яких газ знаходиться при низькому тиску і підпорядковується рівнянню Клапейрона-Менделєєва Pv = RT. При постійному обсязі газу в цих термометрах абсолютна температура пропорційна тиску, що дозволяє виміряти абсолютну температуру газу через його тиск T = Pv / R.

При значенні температури холодного джерела 0 До для оборотного циклу Карно ККД дорівнює одиниці. У цьому випадку вся підведена теплота гарячого джерела повинна перетворитися в роботу. У разі температури холодного джерела менше 0 До в циклі Карно виявилося б отримано більше роботи, ніж підведено теплоти, що суперечить першому закону термодинаміки. Таким чином, був зроблений висновок про неможливе існування тіл з температурою менше 0 К.

Користуючись третім початком термодинаміки, можна довести, що абсолютний нуль температури недосяжний. На цій підставі третій закон термодинаміки може бути сформульований в наступному вигляді: ніяким способом неможливо охолодити тіло до температури абсолютного нуля, тобто абсолютний нуль температури недосяжний. Формулювання третього закону термодинаміки близьку до цієї дав Нернст, тому вона і отримала назву теореми Нернста.

Твердження про недосяжність абсолютного нуля температури не пов'язане з другим законом термодинаміки. З цього твердження лише слід, що ККД циклу Карно завжди менше одиниці.