Термодинамическое равновесие. Понятие температуры

Термодинамической системой называют совокупность макроскопических тел, которые могут взаимодействовать между собой и с другими телами (внешней средой) – обмениваться с ними энергией и веществом.

В условиях изоляции от окружающей среды термодинамическая система самопроизвольно приходит в состояние термодинамического равновесия. Этот процесс называется релаксацией и может занимать достаточно большой промежуток времени.

При термодинамическом равновесии в системе прекращаются все необратимые процессы, связанные с диссипацией энергии: теплопроводность, диффузия, химические реакции и др. Параметры системы (см. параграф «Макроскопическое и микроскопическое состояние вещества») не меняются со временем (при этом они могут испытывать флуктуации).

Изоляция системы не исключает определенного типа контактов со средой (например, теплового контакта с термостатом, обмена с ним веществом).

Для равновесных термодинамических систем вводится понятие температуры как параметра состояния, имеющего одинаковое значение для всех макроскопических частей системы.

Если изолированная система не находится в равновесии, то с течением времени переход энергии (теплоотдача) от более нагретых частей системы к менее нагретым приводит к выравниванию температуры во всей системе (первый постулат, или нулевое начало термодинамики). В равновесных условиях температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц тела. Т.е. более нагретым является такое тело, у которого интенсивность хаотического движения молекул больше. Температурой является числовое значение величины, с помощью которой характеризуется «нагретость» тела. Это значение будет зависеть от выбора шкалы температур (например, шкала Цельсия, шкала Фаренгейта, шкала Кельвина и т.д.).

Температурные точки

При построении температурных шкал используется ряд постоянных температурных точек (реперных точек), т.е. неизменных, хорошо воспроизводимых температур.

Если твёрдое тело и жидкость, состоящие из одного и того же вещества, находятся в контакте, то, в зависимости от температуры, твёрдое тело будет плавиться или, наоборот, жидкость затвердевать. Лишь при вполне определённой температуре жидкость и твёрдое тело находятся в фазовом равновесии (массы жидкой и твёрдой фаз остаются неизменными). Температура, при которой твёрдая и жидкая фазы одного и того же вещества сосуществуют в фазовом равновесии при нормальном атмосферном давлении ( Па), называется нормальной точкой плавления.

Аналогично вводятся определения нормальной точки кипения и нормальной точки возгонки.

Кроме того, могут сосуществовать в фазовом равновесии три фазы одного и того же вещества.

Для этого требуется не только вполне определённая температура, но и вполне определённое давление. Температура, при которой сосуществуют в фазовом равновесии твёрдая, жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества, называется тройной точкой этого вещества. Для воды, например, Т_тр=273,16 К, p_тр=609 Па.