Echilibrul termic. Temperatura. Scări de temperatură.

În cea de-a treia lecție de termodinamică vom discuta despre echilibru termic și despre temperatură și scările de temperatură.

Echilibru termic, întâi, vă aduc aminte că în lecția precedentă de termodinamică am discutat despre contactul termic între două sisteme aflate în stare de echilibru termodinamic,

care am spus că vor evolua, datorită acestui contact termic dintre ele, într-o stare finală în care temperaturile celor două sisteme se vor egaliza.

Această stare în care temperatura unui sistem este uniformă și invariabilă, adică ea a aceeași valoare în tot sistemul,

aceasta înseamnă uniformă, și este constantă în timp, asta înseamnă invariabilă, se numește o stare de echilibru termic.

Echilibrul termic este un caz particular al echilibrului termodinamic, acesta fiind definit ca starea în care toți parametrii intensivi ai sistemului sunt uniformi și invariabili.

Deci, pe lângă temperatură, presiunea, densitatea și ceilalți parametri intensivi sunt uniformi și invariabili pentru sistemul dat.

Principiul 0 al termodinamicii stipulează că dacă avem două sisteme termodinamice A și C, care se află în echilibru termic,

și de asemeni avem sistemele B și C în echilibru termic, atunci sistemele A și B se vor afla la rândul lor în echilibru termic.

Acesta este un enunț simplu și evident, care stipulează că echilibru termic este tranzitiv, adică, din nou, dacă A și C sunt în echilibru,

B și C sunt în echilibru, atunci această stare de echilibru se va transmite și între sistemele A și B.

Dar el este, pe cât de evident, pe atât de util în stabilirea modalităților de măsurare a temperaturii.

Măsurăm temperatura, după cum vom vedea, cu un instrument numit termometru.

Termometru este în sine un sistem termodinamic care, în procesul de măsurare a temperaturii unui alt sistem, trece printr-un echilibru termic cu acesta.

Pentru ca această măsurare a temperaturii să fie universală, trebuie ca echilibru termic, ce stă la bază a măsurării temperaturii, să fie universal.

Să fie același procedeu, același proces în toate cazurile de măsurare a temperaturii.

Pentru a pune în termeni mai practici, dăm un exemplu foarte cunoscut tuturor.

Dacă avem febră, suntem răciți, de obicei dorim atât să ne măsurăm temperatura cu un termometru,

dar și să ne scădem temperatura folosind o pungă cu gheață sau un bandaj cu apă rece, ceva de genul acesta.

Aceasta implică că noi, ca și sistem termodinamic, ne vom micșora temperatura, dar în același timp vom măsura temperatura noastră prin contactul cu termometru.

Toate aceste procese sunt procese termodinamice care duc la stări de echilibru termic.

Este important ca acest echilibru termic să aibă o definiție universal valabilă și aceasta este esența principiului 0 al termodinamicii.

Se numește ecuație termică de stare a gazelor, legea ce leagă temperatura de un parametru de forță, care de obicei este presiunea, și unul de poziție, care de obicei este volumul.

Deci o astfel de lege în care presiunea, temperatura și volumul unei stări de echilibru sunt legate, se numește ecuație termică de stare.

Să trecem la definirea noțiunii de temperatură.

În sensul cel mai general posibil, temperatura este o măsură a căldurii unui sistem, deci este o mărime foarte generală, care după cum v-am vedea se măsoară în grade Celsius sau Kelvin.

Pentru definirea unei scări de temperatură și construirea unui termometru, trebuie alese așa numitele stări de referință ale temperaturii.

Acestea sunt fenomene naturale, ușor observabile și măsurabile, care au loc la temperaturi fixe.

Foarte concret, putem vorbi de punctul sau temperatura de topire a gheții, care la presiunea atmosferică normală știm că se întâmplă întotdeauna la aceiași valoare.

Echivalent, topirea gheții înseamnă înghețarea apei.

Deci, din nou, la presiunea atmosferică normală, acest punct sau această temperatură este aceiași.

La fel, punctul de fierbere al apei sau de condensare a vaporilor de apă în starea lor lichidă, la presiunea atmosferică normală, este întotdeauna același.

Deci, avem două fenomene naturale, ușor observabile și măsurabile, care au loc la temperaturi fixe.

Folosind aceste repere de temperatură, Celsius a introdus scara Celsius de măsurarea temperaturii sau așa-numita scala centigradă.

Ea atribuie primului fenomen valoarea de 0 grade Celsius și celui de-al doilea fenomen valoarea de 100 grade Celsius.

În consecință, gradul Celsius este definit, într-un mod foarte evident, ca asuta parte dintre temperaturile celor două fenomene.

Deci, luăm temperatura fenomenului doi minus temperatura la care are loc fenomenul unu și o împărțim la 100,

iar acesta este, prin definiție, gradul Celsius.

O altă scară sau scală de temperatură se referă la faptul că există un 0 absolut al temperaturii.

Deci, există așa-numita temperatură 0 absolut, care are două proprietăți.

Este temperatura minimă a unui proces termodinamic.

Orice proces termodinamic are o temperatură minimă sub care nu se poate coborâ.

Acest minim este universal în sensul că toate procesele termodinamice au acest minim la aceeași temperatură

și anume în scara Celsius la minus 273,15 grade Celsius.

Kelvin, fizicianul care a descoperit acest fenomen, a folosit acest punct fix de temperatură

pentru a defini în modul cel mai natural așa-numita scală de temperatură Kelvin,

numită și scala absolută a temperaturii, care pur și simplu identifică acest punct de 0 absolut

cu temperatura de 0 Kelvin.

În mod evident, relația dintre cele două temperaturi este aceasta,

adică temperatura în grade Kelvin, notată întotdeauna cu T mare,

va fi egală cu temperatura exprimată în grade Celsius, notată întotdeauna cu T mic, minus 273,15.

Există și alte scări de temperatură, precum scara Fahrenheit, care este folosită în Statele Unite,

și altele, care s-au perimat, sunt mai folosite în zilele noastre.

Ca observație, toată această construcție,

pornind cu definirea temperaturii și definirea apoi a scărilor sau scalelor de temperatură

și construcția termometrelor, se bazează pe principiul zero al termodinamicii,

deoarece acela ne permite compararea temperaturilor sistemelor și stabilirea scalelor sau scărilor de temperatură universală.

Cea mai simplă aplicație a temperaturii și a scalelor de temperatură este termometrul.

El este un instrument de măsurare a temperaturii,

care se bazează pe variația cu temperatura a unor anumite mări.

Cele mai uzoale termometre folosesc legea dilatării materialelor,

care spune că lungimea materialului la temperatura T

va fi egală cu lungimea acelui material la temperatura de 0 grade Celsius,

deci L0 este lungimea la 0 grade Celsius,

înmulțită cu 1 plus alpha T, unde alpha este o constantă,

numită constanta de dilatare a materialului.

Orice material, orice substanță are o valoare fixă a acestui parametru.

Termometrele cele mai uzoale, cele cu care ne măsurăm noi temperatura,

spre exemplu termometrele medicale, se bazează pe această lege.

Există, bineînțeles, și alte tipuri de termometre,

spre exemplu cele care se bazează pe creșterea rezistenței electrice, R,

a metalelor cu temperatura.

Deci rezistența electrică a unui metal crește cu temperatura T

după această lege, unde, din nou, R0 este rezistența la 0 grade Celsius,

iar A este o constantă, ce e o valoare fixă pentru un metal dat.

Aceste tipuri de termometre se folosesc, de obicei,

pentru măsurarea temperaturilor mai înalte,

unde legea dilatării materialor, în special termometrele cu mercuri sau cu alte lichide sau gaze,

funcționează mai puțin bine în regimul temperaturilor înalte,

și acolo se folosesc, spre exemplu, acest tip de termometre.

Un exemplu este termometrul folosit, de obicei, în cuptoare

sau, pentru măsurarea temperaturilor în cuptorul pe care îl aveți dumneavoastră acasă, în Aragaz,

sau alte tipuri de cuptoare.

Acestea folosesc, de obicei, acest fenomen,

al variației rezistenței electrice a unui metal cu temperatura.