Температура

§1. Температура және термодинамикалық тепе-теңдік

1.Температура ұғымы денелердің әр түрлі қызу (суық) дәрежесін сипаттау үшін енгізіледі. Температура туралы түсінік ғылымға күш ұғымы сияқты біздің сезімдік қасиеттеріміз арқылы енген. Біздің сезіміміз қызуды сапалы деңгейде ажыратуға мүмкіндік береді. Мысалы, ыстық, жылы, салқын, суық – деген сияқты. Алайда, ғылымда қолданылатын қызу деңгейінің сандық мөлшері біздің сезімталдығымызбен анықталмайды. Себебі, сезім барлық уақытта субъективті. Адамның қолының күйіне қарай бір дене кейде жылы, ал кейде суық болып сезілуі мүмкін. Мысалы, екі қолымызды жылы және салқын суы бар екі ыдысқа біраз уақыт салып, одан кейін екі қолымызды да бөлме температурасындағы суға салатын болсақ, онда бір қолымызға су салқын болып сезілсе, ал екінші қолымызға ыстық болып сезіледі. Температураны сезім арқылы анықтау дененің жылуөткізгіштігіне аса тәуелді. Температураны сезім арқылы бағалау температураның тек өте қысқа интервалында (адам ағзасы температурасы аймағында) мүмкін болады. Аса ыстық және аса суық денелердің температурасын сезім арқылы бағалау мүмкін емес.

Физикалық шамалардың арасында температура ерекше орын алады. Температура аддитивтілік қасиетіне ие емес физикалық шама. Мысалы, қандай да бір денені ойша бірнеше бөліктерге бөлетін болсақ, онда дененің толық температурасы бөліктердің температураларының қосындысына тең болмайды. Сондай-ақ, температураны масса мен ұзындықты өлшеген сияқты эталонмен салыстыру әдісімен өлшеу мүмкін емес.

2.Термодинамикалық тепе-теңдік. Температураның сандық мәнін анықтау және дәл температуралық шкаланы жасау негізінде сезімдік субъективизмнен ажыратылған объективті физикалық құбылыстар мен фактілер болуы қажет. Жылудың феноменологиялық ілімінде температура жылулық немесе термиялық тепе-теңдік ұғымы негізінде енгізілген. Термодинамикалық тепе-теңдік ұғымы оларға қарағанда жалпы ұғым болып табылады.

Егер температуралары әр түрлі екі денені бір-біріне жанастыратын болсақ, онда жүйедегі барлық макроскопиялық өзгерістер тоқтағанша бір дене қызып екіншісі салқындайды. Бұл жерде біз жүйедегі денелер арасында химиялық реакция жүрмейді деп ескереміз. Осылай жүйедегі денелердің температуралары теңесіп термодинамикалық тепе-теңдік орнайды. Жүйеде тек қана екі дене болғанда ғана емес, жүйе құрамында одан да көп денелер болса да термодинамикалық тепе-теңдік орын алады. Егер жүйедегі денелер арасында химиялық реакциялар жүретін болса, онда жүйе толық тепе-теңдік күйіне жеткенше осы реакциялар нәтижесінде қосымша қызу немесе салқындау процестері өтеді. Алайда, реакциялар тоқтаған соң жүйе термодинамикалық тепе-тең күйге келеді.

3.Термодинамиканың жалпы бастамасы. Қоршаған ортамен энергия алмаспайтын денелер жүйесін оқшауланған немесе тұйықталған жүйе деп атаймыз. Мұндай жүйе ұғымы абстракциялау болып табылады және шындығында ешқашан орындалмайды. Егер бір бірімен жанасып тұрған денелер жүйесінің айналасында басқа денелер болмаса да мұндай жүйені оқшауланған жүйе деп айта алмаймыз. Себебі, бұл жүйедегі денелер барлық уақытта сәулелік энергия шығаруы және алшақ орналасқан денелердің сәулелік энергиясын жұтуы мүмкін. Алайда, жасанды түрде жуықтап оқшауланған жүйе жасауға, демек денелер арасындағы алмасу энергиясы өте аз болатындай шартты орындауға болады. Бұл шартты жүйені жылу өткізбейтін қатты қоршауға алу арқылы жүзеге асыруға болады. Мұндай қоршауды адиабаталық қоршау деп атаймыз. Мұндай қоршаудағы жүйенің күйі қоршаған орта күйінен тәуелсіз болады. Адиабаталық қоршау ұғымы физикалық абстракциялау болып табылады. Шын мәнінде мұндай қоршаулар жоқ, бірақ, қасиеттері адиабаталық қоршауға өте жақын қоршау жасауға болады. Қазіргі заманғы физика мен техникада өте жақсы адиабаталық қоршау ретінде Дьюар ыдыстары немесе термостар қолданылады. Дьюар ыдысы – арасында жоғары вакуум болатын металдан немесе шыныдан жасалған қос қабырғалы баллон болып табылады. Дьюар ыдысы ішінде орналасқан денелерді сыртқы ортаның жылулық әсерінен жақсы қорғайды. Осы құрылғыны идеал деп ескерсек, онда идеал адиабаталық қоршау аламыз. Қатты қабырғалары қозғалмайтын осындай адиабаталық қоршау ішіндегі денелер жүйесі сыртқы жылулық әсерлерден толық қорғалған, демек оқшауланған жүйе болып табылады.

Оқшауланған жүйедегі денелердің бастапқы күйлері қандай болса да, соңында барлық макропроцесстер тоқтайтын термодинамикалық тепе-теңдік күй орнайды. Бұл тұжырым термодинамикада өте маңызды және постулат ретінде қабылданған. Бұл тұжырымды термодинамиканың жалпы бастамасы деп те атауға болады.

4.Релаксация. Жүйенің термодинамикалық тепе-тең күйге өздігінен өту процесін релаксация деп атаймыз, ал осы процеске жұмсалған уақытты релаксация уақыты деп атайды. Релаксация уақытын тәжірибеде анықтағанда ешқашан термодинамикалық тепе-теңдіктің толық орнауын күтпейді. Сондықтан релаксация уақыты дәл анықталмайды, тек белгілі дәлдікпен бағаланады.

5.Жылулық тепе-теңдік. Бір-бірімен жанастырылған денелер термодинамикалық тепе-теңдікке келуі үшін олар бір-бірімен механикалық және химиялық тепе-теңдікте болуы керек. Демек, денелердің қысымдары бірдей және жанасқанда химиялық реакцияға түспейді. Егер олай болмаса, онда денелерді бір-бірінен жылуды жақсы өткізетін, бірақ химиялық нейтрал металл фольгамен қоршап қою керек. Бұл денелер бір-бірімен металл фольга арқылы жанасқаннан кейін тепе-теңдікке келеді. Мұндай тепе-теңдікті жылулық немесе термиялық тепе-теңдік деп атайды. Кейде температуралары бірдей денелер деп айтылады.

6. Температура дененің ішкі күйінің макроскопиялық сипаттамасы болып табылады. Бұл ұғымның бір немесе аздаған атомдардан, молекулалардан тұратын жүйе үшін мағынасы болмайды. Бұл ұғым негізінен термодинамикалық тепе-теңдіктегі көптеген атомдардан немесе молекулалардан тұратын жүйелер үшін, демек макроскопиялық жүйелер үшін қолданылғаны дұрыс. Бірақ, температура ұғымы термодинамикалық тепе-теңдік күйіне жетпеген жүйелерді сипаттау үшін де қолданылып жүр. Сонымен, температура дене немесе денелер жылулық тепе-теңдікке келгенде теңесетін физикалық шама.

Бақылау сұрақтары:

1. Температура ұғымы туралы не білесіз?

2. Термодинамикалық және жылулық тепе-теңдік ұғымдарын түсіндіріңіз.

3. Термодинамикада қандай жүйелер оқшауланған деп аталады?

4. Термидинамиканың жалпы бастамасын тұжырымдаңыз.

§2 Термоскоп және температуралық нүктелер

1.Термоскоп. А және В денелерінің температураларының бірдей немесе әртүрлі екендігін анықтау үшін оларды жылулық жанастыру міндетті емес. Ол үшін осы екі денемен кезек-кезек жанастыруға болатын үшінші С денесін қолдануға болады. Бұл әдіс А және В денелері бір бірімен химиялық реакцияға түскенде де олардың температураларын салыстыруға мүмкіндік береді.

Егер С денесі А және В денелерімен жылулық тепе-теңдікте болса, онда А және В денелері бір бірімен жанасқанда жылулық тепе-теңдікте болады. Басқаша айтқанда С денесінің температурасы А және В денелерінің температурасына тең болса, онда А және В денелерінің температуралары бірдей болғаны. Егер С денесі өте кішкентай болса, онда А және В денелерімен жанасқанда С денесі олардың температураларын айтарлықтай өзгертпейді. Бірақ С денесінің температурасының өзгерісі өте үлкен болуы мүмкін. Мұндай С денесі А және В денелерінің температураларының бірдей немесе әр түрлі екендігін анықтауға мүмкіндік беретін «сынақ дене» қызметін атқарады. Осындай екі немесе бірнеше денелердің температураларының бірдей немесе әр түрлі екендігін анықтау үшін қолданылатын кішкентай С денесі термоскоп деп аталады. Бұл жерде С денесінің өте кішкентай болуы өте маңызды. Керісінше болса, онда С денесі сыналатын денелердің температураларын өзгертіп жібереді.

2.Термоскоп жасау принципі. Термоскоптың температурасының тұрақты немесе өзгергендігі туралы оның физикалық қасиеттерін сипаттайтын шамалардың өзгерісі арқылы айтуға болады. Тәжірибелерден денелердің барлық дерлік қасиеттері температураға байланысты өзгеретіндігін білеміз. Мысалы, қыздырғанда көптеген денелердің көлемі артады. Металдардың электрлік кедергісі температура артқан сайын артады, ал жартылай өткізгіштердің кедергісі кемиді. Әртекті металдардан жасалған екі сымның ұштарын бір-біріне дәнекерлеп, бұл тізбекке 1-суреттегідей гальванометр қосатын болсақ, онда аспап ток тіркемейді. Себебі, әртектес металлдардың қосылған ұштары бірдей температурада. Егер дәнекерленген ұштардың бірін қыздыратын немесе салқындататын болсақ, онда тізбекте тұрақты электр тогы жүреді. Мұндай электр тогын термоэлектрлік ток деп атайды. 1-суреттегідей жалғанған екі металл сымдарды термоэлектрлік жұп немесе терможұп деп атайды.

2-сурет. Газ толтырылған термоскоп.

1-сурет. Терможұп

Осы сияқты құбылыстар термоскоп жасау үшін қолданылуы мүмкін. Мысал ретінде 2-суретте газ толтырылған термоскоп көрсетілген. Ауасы бар шар зерттелетін денемен жанастырылғанда шар ішіндегі газдың көлемі өзгереді, көлем өзгеруін сұйықты манометр көмегімен анықтауға болады.

3.Температуралық нүктелер. Термоскоп көмегімен өзгермейтін, қайта өлшегенде дәл анықталатын маңызды температуралық нүктелерді тағайындауға болады. Мұндай температуралық нүктелер температура шкаласын жасағанда қолданылады.

Егер құрамдары бірдей қатты дене және сұйық жанасатын болса, онда температура мәніне байланысты қатты дене балқуы (еруі) немесе сұйық қатаюы мүмкін. Бұл кезде жүйедегі қысым тұрақты болады деп ескеріледі. Қандай да бір нақты температурада балқу және қатаю процестері бір-бірімен теңесіп сұйық және қатты фазалардың массалары тұрақты болып қалады. Жүйенің мұндай күйінде сұйық пен қатты дене фазалық тепе-теңдікте тұр деп айтамыз. Қалыпты атмосфералық қысымда (101325 Па) жүйедегі қатты және сұйық фазалар бір-бірімен фазалық тепе-теңдікте болса, онда осы күйге сәйкес температураны балқудың қалыпты нүктесі деп атайды. Қалыпты атмосфералық қысымда сұйық пен оның буы фазалық тепе-теңдікте болса, онда осы күйге сәйкес температураны қайнаудың қалыпты нүктесі деп атайды. Ал, қалыпты атмосфералық қысымда қатты фаза өзінің буымен фазалық тепе-теңдікте болатын температура - сублимацияның қалыпты нүктесі деп аталады. Қатты фазаның бірден газ тәріздес фазаға айналу процесі сублимация депаталады.

Сондай-ақ қатты, сұйық және газ тәріздес фазалар бір мезгілде фазалық тепе-теңдікте болуы мүмкін. Мұндай күйді іске асыру үшін тек қана нақты температура ғана емес, сонымен қатар нақты қысым да анықталуы қажет. Мысалы, судың үш фазасы фазалық тепе-теңдікте болуы үшін қысым 611 Па болуы қажет. Бір заттың қатты, сұйық және газ тәріздес фазалары фазалық тепе-теңдік күйінде болатын температура мәні осы заттың үштік нүктесі деп аталады.

Бақылау сұрақтары:

1. Термоскоп деген не?

2. Термоскоп ретінде қандай денелерді алуға болады?

3. Фазалық тепе-теңдік шартын түсіндіріңіз.

4. Қандай температуралық нүктелерді білесіз?