1954687392

Eksperyment oznacza obserwację i pomiar. Wymaga stworzenia specjalnych warunków, zapewniających dokonanie najbardziej owocnych obserwacji i precyzyjnych pomiarów.

Leon Lederman, Dick Teresi [22].

2. Zerowa zasada termodynamiki

Opis zjawisk termodynamicznych wymaga poprawnych definicji kilku pojęć. W tym rozdziale zajmiemy się szczegółowo jednym z nich, a mianowicie temperaturą.

Pojęcie temperatury utożsamiamy często z naszymi osobistymi odczuciami dotyczącymi ciepła lub zimna danego obiektu, jest to jednak dość zawodne. Można się o tym przekonać w następującym doświadczeniu: Wkładamy dłonie do dwóch naczyń, wypełnionych wodą o różnych temperaturach. Następnie przenosimy je do naczynia z wodą o temperaturze pośredniej. Wtedy każda z dłoni informuje nas o czymś innym — cieplejsza początkowo dłoń czuje zimno, natomiast zimniejsza rejestruje ciepło. W ten sposób nasze zmysły zawodzą nas.

W celu uniknięcia tego typu problemów wprowadzamy zerową zasadę termodynamiki, która jest ściśle związana z pojęciem równowagi termodynamicznej.

Rozpatrzmy trzy obiekty (układy termodynamiczne) oznaczone jako A, B i C. Chcemy zweryfikować, czy układy te są w równowadze termodynamicznej. Doprowadzamy więc do kontaktu cieplnego obiekty A i C. Odczekujemy¹, aż układy osiągną stan równowagi termodynamicznej i rejestrujemy (tj. mierzymy) parametry Vac stanu termodynamicznego układu C. Następnie doprowadzamy do kontaktu cieplnego układy B i C. Ponownie odczekujemy stosowny okres czasu i mierzymy parametry Pbc stanu układu C. Jeśli odczyty parametrów stanów ‘Pac oraz Pbc są identyczne, to mówimy, że A i B są w równowadze cieplnej.

Podsumujemy te rozważania w postaci aksjomatu.

Zerowa zasada termodynamiki

Jeśli dwa układy A i B są w równowadze cieplnej z trzecim układem C, to są one w równowadze cieplnej ze sobą.

Układ C będziemy nazywali dalej termometrem.

Jak widzimy, zerowa zasada termodynamiki pozwala zdefiniować operacyjnie pojęcie temperatury². Na podstawie tej zasady mówimy, że obiekty są w równowadze cieplnej, jeśli ich temperatury są takie same. W omówionym powyżej przykładzie Ta = Tb = Tc-

2.1. Jednostki temperatury — termometry

W SI jednostką temperatury jest kelwin³. Jeden kelwin (K) jest to 1/273,16 część temperatury T_pt punktu potrójnego wody⁴.

Temperatura wyrażana w kelwinach nosi nazwę temperatury bezwzględnej.

W Polsce używamy powszechnie skali Celsjusza, w której 100°C odpowiada temperaturze wrzenia wody, a 0°C — temperaturze zamarzania wody (w warunkach normalnych). Zauważmy,

7

1

W pobliżu tzw. ciągłych przejść fazowych czas ten może być bardzo długi, ponieważ układ zdąża bardzo wolno do stanu równowagi.

2

W rzeczywistości stwierdza istnienie mierzalnej wielkości skalarnej, zwanej temperaturą, odnoszącej się do stanu równowagi cieplnej układów makroskopowych.

3

Dla upamiętnienia wybitnego angielskiego fizyka Wiliama Thompsona (1824-1907), który w roku 1892 otrzymał tytuł lorda Kelvina.

4

Jest to stan termodynamiczny, w którym współistnieją ze sobą w równowadze trzy fazy (stany skupienia) wody: stała (lód), ciekła i gazowa (para wodna). Temu stanowi odpowiadają następujące wartości parametrów: ciśnienie p_pt =613 Pa, temperatura w skali bezwzględnej T_pt = 273,16 K. Uwaga! W skali Celsjusza t_pt = 0,01°C.