Термодинамические инструменты

Термодинамический прибор – это любое устройство для измерения термодинамических систем . Чтобы термодинамический параметр или физическую величину правильно определить , необходимо указать метод его измерения. Например, окончательное определение температуры — это «то, что показывает термометр». Возникает вопрос – что такое термометр?

Существует два типа термодинамических приборов: счетчик и резервуар. Термодинамический измеритель — это любое устройство, которое измеряет любой параметр термодинамической системы. Термодинамический резервуар — это система, которая настолько велика, что не меняет существенно параметры своего состояния при контакте с тест-системой.

Обзор

Двумя общими взаимодополняющими инструментами являются счетчик и резервуар. Важно, чтобы эти два типа инструментов были различны. Счетчик не выполняет свою задачу точно, если он ведет себя как резервуар переменной состояния, которую он пытается измерить. Если бы, например, термометр действовал как резервуар температуры, он изменил бы температуру измеряемой системы, и показания были бы неверными. Идеальные счетчики не влияют на переменные состояния системы, которую они измеряют.

Термодинамические счетчики

Счетчик — это термодинамическая система , которая отображает наблюдателю некоторые аспекты своего термодинамического состояния. Характер его контакта с измеряемой системой можно контролировать, и он достаточно мал, чтобы не оказывать заметного влияния на состояние измеряемой системы. Описанный ниже теоретический термометр является именно таким измерителем.

В некоторых случаях термодинамический параметр фактически определяется с помощью идеализированного измерительного прибора. Например, нулевой закон термодинамики гласит, что если два тела находятся в тепловом равновесии с третьим телом, они также находятся в тепловом равновесии друг с другом. Этот принцип, как заметил Джеймс Максвелл в 1872 году, утверждает, что температуру можно измерить. Идеализированный термометр — это образец идеального газа при постоянном давлении.

Согласно закону идеального газа , объем такой пробы можно использовать как индикатор температуры; таким образом он определяет температуру. Хотя давление определяется механически, устройство для измерения давления, называемое барометром , также может быть изготовлено из образца идеального газа, хранящегося при постоянной температуре. Калориметр — это прибор , который используется для измерения и определения внутренней энергии системы.

Некоторые распространенные термодинамические измерители:

• Термометр – прибор, измеряющий температуру, как описано выше.
• Барометр – прибор, измеряющий давление, особенно атмосферное. Барометр идеального газа можно сконструировать путем механического подключения идеального газа к измеряемой системе с одновременным ее термической изоляцией. Затем объем будет измерять давление по уравнению идеального газа P=NkT/V .
• Калориметр – прибор, измеряющий количество тепловой энергии, поступившей в систему. Простой калориметр — это просто термометр, подключенный к термически изолированной системе.

Термодинамические резервуары

См. Также: Термальный резервуар.

Резервуар — это термодинамическая система , которая контролирует состояние системы, обычно «навязываясь» контролируемой системе. Это означает, что характер его контакта с системой можно контролировать. Резервуар настолько велик, что на его термодинамическое состояние не оказывает существенного влияния состояние управляемой системы. Термин « атмосферное давление » в приведенном ниже описании теоретического термометра по существу представляет собой «резервуар давления», который создает атмосферное давление на термометр.

Некоторые распространенные резервуары:

• Резервуар давления. На сегодняшний день наиболее распространенным резервуаром давления является атмосфера Земли.
• Температурный резервуар. Большое количество воды в тройной точке образует эффективный температурный резервуар.

Теория

Предположим, что мы достаточно хорошо понимаем механику, чтобы понимать и измерять объем , площадь , массу и силу . Их можно объединить, чтобы понять концепцию давления, которое представляет собой силу на единицу площади, и плотности, которая представляет собой массу на единицу объема. Экспериментально установлено, что при достаточно низких давлениях и плотностях все газы ведут себя как идеальные газы . Поведение идеального газа определяется законом идеального газа:

$PV=NkT\,$

где P — давление, V — объем, N — количество частиц (общая масса, деленная на массу одной частицы), k — постоянная Больцмана , а T — температура. Фактически, это уравнение представляет собой нечто большее, чем просто феноменологическое уравнение: оно дает оперативное или экспериментальное определение температуры. Термометр — это инструмент, измеряющий температуру. Примитивный термометр представлял собой просто небольшой контейнер с идеальным газом, которому позволяли расширяться под действием атмосферного давления. Если мы приведем его в тепловой контакт с системой, температуру которой мы хотим измерить, подождем, пока она не уравновесится, а затем измерим объем термометра, мы сможем вычислить температуру рассматриваемой системы через T = PV/Nk. . Будем надеяться, что термометр будет достаточно маленьким, чтобы не оказывать существенного влияния на температуру измеряемой системы, а также на то, что расширение термометра не будет влиять на атмосферное давление.

Более точное определение термометра идеального газа можно определить, сказав, что это система, содержащая идеальный газ, который термически связан с измеряемой системой, но при этом динамически и материально изолирован от нее. Он одновременно динамически связан с внешним резервуаром под давлением, от которого материально и термически изолирован. Теперь можно изготовить и откалибровать другие термометры (например, ртутные термометры , которые показывают наблюдателю объем ртути) и откалибровать их по идеальному газовому термометру.