Nollte huvudsatsen och temperatur. mekanisk jämvikt

Transkript

1 Mekanisk jämvikt Betrakta två slutna gasbehållare, bägge med en kolv vid ena sidan. Kolverna är fästa i varandra: om ena kolven rör sig innåt rör sig den andra utåt Öppnar skruven så att kolvarna kan röra sig fritt: om kolven rör sig till vänster är P B > P A eftersom P = F/A. Om inget händer: trycket är lika och systemet sägs vara i mekanisk jämvikt Låt A och B vara i mekanisk jämvikt. Vi bryter kontakten och istället förser A i kontakt med ett system C. Om inget händer vet vi att A och C är i mekanisk jämvikt, dvs. har samma tryck. Då vet vi att också B och C har samma tryck. Vi kan dra slutsatsen att trycket är en universell indikator för mekanisk jämvikt

2 Termisk jämvikt Betrakta två behållare A och B t.ex. gjorda av någon metall Vi sätter dem i kontakt med varanda, vilket kan leda till en observerbar fysisk förändring Om vi väntar tillräckligt länge upphör förändringen (termalisering) Om ingen förändring längre sker sägs behållarna vara i termisk jämvikt Vi kan separera A och B, och försätta A i termisk kontakt med en tredje behållare C. Om de är i jämvikt, är också C och B i jämvikt

3 Termodynamikens nollte huvudsats Om A och B är i termisk jämvikt, och B samt C är i termisk jämvikt, då är A och C i termisk jämvikt. A, B och C sägs då ha samma temperatur.

4 Temperatur Temperaturen är den fysikaliska egenskap som tillåter oss att förutse när två system kommer att vara i termisk jämvikt oberoende av deras storlek eller beståndsdelar Alternativt sätt att ange Nollte huvudsatsen Det existerar för varje system i termisk jämvikt en egenskap som kallas för temperatur. Temperaturernas ekvivalens är ett tillräckligt och nödvändigt villkor för termisk jämvikt.

5 Hur mäta temperatur? 1. Placera föremålet F vars temperatur man vill få reda på i termisk kontakt med en kropp A och vänta att de kommer till jämvikt 2. A skall ha en egenskap som beror av temperaturen på ett sätt som är väl känt, A är en termometer 3. Om A har kalibrerats med en standardtermometer, garanterar 0:e grundlagen att man får konsistenta resultat 0:e grundlagen: termometrar fungerar!

6 Termometer En termometer skall uppvisa en mätbar fysikalisk förändring då temperaturen ändrar Flesta termometrar utnyttjar materialers (oftast vätskor eller gaser) värmeutvidgning: material upptar i allmänhet (vid samma tryck) en större volym då de är varma Sätt kvicksilver (t.ex.) i en sluten behållare, säg att temperaturen är 0 grader vid vattnets fryspunkt och 100 vid kokpunkten, och dra streck med jämna mellanrum mellan dessa (interpolera lineärt) Celsius/Linnaeus-skalan Resistansen för Platina som funktion av T Resistansen för Ruteniumoxid RuO 2 som funktion av T

7 I Finland finns kunnande att göra noggranna temperatursensorer som baserar sig på kapacitansens beroende av temperaturen Mars Curiosity Rover selfie

8 Vad skall fungera som standardtermometer? Alla material uppvisar komplicerat beteende (t.ex. fastransitioner) Beroendet av egenskapen oftast endast approximativt lineärt med avseende på T Kvicksilver övergår till fast form vid låga temperaturer, förångas vid höga Resistansen för Platina saturerar vid låga T, vid höga T smälter Platina Behöver en temperaturskala som är oberoende av material Det visar sig att termodynamikens andra huvudsats gör det möjligt att konstruera en sådan

9 Absolut temperaturskala Mäter trycket för en gas i en given volym vid olika temperaturer. Upprepar experimentet med olika substansmängder:

10 Absolut temperaturskala Mäter trycket för en gas i en given volym vid olika temperaturer. Upprepar experimentet med olika substansmängder:

11 Absoluta nollpunkten Existerar en lägsta möjliga temperatur: absolut nollpunkt Visar sig att det är en följd av termodynamikens tredje grundlag Termodynamisk temperatur T Absolut temperaturskala: börjar vid absoluta nollpunkten Oberoende av något visst materials egenskaper

12 SI enheten för temperatur: Kelvin Absoluta nollpunkten 0 K T vid vattnets trippelpunkt K (0.01 C)

13 Exempel på icke-trivialt system i termisk jämvikt: kosmiska bakgrundsstrålningen

14 Exempel på icke-trivialt system i termisk jämvikt: kosmiska bakgrundsstrålningen