Przejdź do treściPrzejdź do informacji o dostępnościMenu skrótów klawiszowych
Logo OpenStax
Fizyka dla szkół wyższych. Tom 2

1.1 Temperatura i równowaga termiczna

Fizyka dla szkół wyższych. Tom 21.1 Temperatura i równowaga termiczna

Cel dydaktyczny

W tym podrozdziale nauczysz się:
  • definiować pojęcie temperatury i opisywać je ilościowo;
  • tłumaczyć pojęcie równowagi termicznej;
  • tłumaczyć zerową zasadę termodynamiki.

Pojęcie ciepła rozumiemy intuicyjnie wszyscy. Czujemy na własnym ciele jego przypływ podczas letniego dnia lub od kubka gorącej kawy po zimowym spacerze. Czujemy także odprowadzanie ciepła z naszego ciała, odczuwając chłód podczas zimnego wieczoru lub chłodzący efekt potu po ćwiczeniach na siłowni.

Czym jest ciepło? Jak je definiujemy i jak jest związane z temperaturą? Jakie są efekty cieplne i jak ciepło przepływa z jednego miejsca w inne? Pomimo bogactwa tych zjawisk odkryjemy, że niewielki zestaw zasad fizycznych jednoczy te zagadnienia i wiąże je z innymi obszarami fizyki. Zaczniemy od zbadania pojęcia temperatury i określenia, jak ją zdefiniować i mierzyć.

Temperatura

Pojęcie temperatury wyewoluowało z powszechnych pojęć poczucia ciepła i zimna. Naukowa definicja temperatury tłumaczy więcej niż nasze wrażenie ciepła i zimna. Jak już zapewne wiemy, wiele wielkości fizycznych zdefiniowanych jest wyłącznie w kategoriach tego, jak są obserwowane lub mierzone. Temperatura (ang. temperature) jest więc zdefiniowana operacyjnie jako wielkość mierzona za pomocą termometru. Jak zobaczymy później, w rozdziale dotyczącym kinetycznej teorii gazów, temperatura jest wprost proporcjonalna do średniej energii kinetycznej cząsteczek gazu. Różnice temperatury podtrzymują wymianę ciepła we Wszechświecie. Jedną z form wymiany ciepła jest transport ciepła na wskutek różnicy temperatur. Kolejnymi formami są promieniowanie oraz konwekcja. Wymiana ciepła (ang. heat transfer) jest to transport energii z jednego miejsca lub materiału do innego na skutek różnicy temperatury.

Równowaga termiczna

Ważnym pojęciem związanym z temperaturą jest równowaga termiczna (ang. thermal equilibrium). Dwa ciała są w równowadze termicznej, jeżeli pomimo bliskiego ich kontaktu umożliwiającego swobodną wymianę energii, żadna energia nie jest między nimi przekazywana w formie ciepła. Ciała niebędące ze sobą w kontakcie także są w równowadze termicznej, gdy po ich zetknięciu nie następuje między nimi przekazywanie energii. Jeśli dwa ciała pozostają ze sobą w kontakcie przez dłuższy czas, zwykle dochodzą do równowagi termicznej. Innymi słowy, dwa ciała będące w równowadze termicznej nie wymieniają między sobą energii (procesy przepływu energii w rzeczywistości zachodzą, jednak ich wypadkowy bilans jest zerowy – przyp. tł.).

W praktyce, jeżeli ciało A jest w równowadze z ciałem B, a ciało B jest w równowadze z ciałem C, to (jak zapewne zgadliście) ciało A jest w równowadze z ciałem C. To stwierdzenie przechodniości nazywane jest zerową zasadą termodynamiki (ang. zeroth law of thermodynamics; numer zero został zaproponowany przez brytyjskiego fizyka Ralpha Fowlera (1889–1944) w latach trzydziestych XX wieku. Pierwsza, druga i trzecia zasada termodynamiki były już wtedy sformułowane. Zasadę tę należy jednak omówić przed poznaniem pozostałych trzech, dlatego nadano jej numer niższy niż 1). Rozważmy przypadek, gdy A jest termometrem. Zerowa zasada mówi nam, że jeżeli A pokazuje określoną temperaturę, będąc w równowadze termicznej z B, a następnie zostanie zetknięte z C, to nie wymieni energii z C, a więc wskazanie temperatury pozostanie takie samo (Ilustracja 1.2). Innymi słowy, jeśli dwa ciała są w równowadze termicznej, to mają taką samą temperaturę.

Rysunek po lewej stronie przedstawia dwa połączone ze sobą pudełka oznaczone literami B i C.Termometr A przystawiony jest do pudełka B. Rysunek po lewej stronie pokazuje te same pudełka, wraz z termometrem przyłączonym do pudełka C. W obu przypadkach odczyt temperatury na termometrze jest taki sam.
Ilustracja 1.2 Jeśli termometr A jest w równowadze termicznej z ciałem B, a B jest w równowadze termicznej z C, to A jest w równowadze termicznej z C. Dlatego też odczyt temperatury na A pozostanie taki sam, gdy A zostanie przesunięty, aby być w kontakcie z C.

Temperatura wskazywana przez termometr w stanie równowagi termicznej oznacza, iż element wskazujący temperaturę (np. rtęć) jest w równowadze z obudową termometru, która jest w równowadze z ciałem, którego temperatura jest mierzona.

Dalej w tym rozdziale będziemy odnosić się do układów ciał, zamiast pojedynczych ciał. Podobnie jak w rozdziale dotyczącym pędu i zderzeń, układ składa się z jednego ciała lub większej ich liczby, ale w termodynamice wymagane jest, by układy były makroskopowe, czyli składały się z ogromnej liczby (rzędu 10 23 10 23 ) cząsteczek. Możemy powiedzieć, że układ jest w równowadze termicznej wtedy, gdy wszystkie ciała należące do tego układu mają tę samą temperaturę (powrócimy do definicji układu termodynamicznego w rozdziale poświęconym pierwszej zasadzie termodynamiki).

Cytowanie i udostępnianie

Ten podręcznik nie może być wykorzystywany do trenowania sztucznej inteligencji ani do przetwarzania przez systemy sztucznej inteligencji bez zgody OpenStax lub OpenStax Poland.

Chcesz zacytować, udostępnić albo zmodyfikować treść tej książki? Została ona wydana na licencji Uznanie autorstwa (CC BY) , która wymaga od Ciebie uznania autorstwa OpenStax.

Cytowanie i udostępnienia
  • Jeśli rozpowszechniasz tę książkę w formie drukowanej, umieść na każdej jej kartce informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-2/pages/1-wstep
  • Jeśli rozpowszechniasz całą książkę lub jej fragment w formacie cyfrowym, na każdym widoku strony umieść informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-2/pages/1-wstep
Cytowanie

© 21 wrz 2022 OpenStax. Treść książki została wytworzona przez OpenStax na licencji Uznanie autorstwa (CC BY) . Nazwa OpenStax, logo OpenStax, okładki OpenStax, nazwa OpenStax CNX oraz OpenStax CNX logo nie podlegają licencji Creative Commons i wykorzystanie ich jest dozwolone wyłącznie na mocy uprzedniego pisemnego upoważnienia przez Rice University.