B-4. Temperatura

Până în acest moment am evitat cu grijă utilizarea cuvântului temperatură, cu toate că îl foloseşti frecvent în viaţa de zi cu zi.

Motivul este că, în fizică suntem nevoiţi să fim deosebit de atenţi cu semnificaţia cuvintelor pe care le folosim. Altfel, pot apărea confuzii cu consecinţe greu de prevăzut.

Când două sisteme termodinamice interacţionează termic, există doar două posibilităţi: fie unul dintre aceste sisteme transferă celuilalt energie, fie acest transfer nu are loc.

 Numim echilibru termic starea atinsă de două sisteme termodinamice care pot interacţiona termic dar nu transferă energie unul celuilalt.

Un termometru de cameră poate interacţiona termic cu aerul din imediata sa vecinătate. Când indicaţiile termometrului s−au stabilizat, acesta este în echilibru termic cu aerul din imediata sa vecinătate. Altfel, orice transfer de energie dinspre sau înspre termometru ar modifica indicaţiile acestuia.

Introducând acest termometru în apa dintr− pahar, dacă vei constata că indicaţia termometrului se modifică (semnalând astfel un transfer net de energie), termometrul nu este în echilibru termic cu apa din pahar.

Dacă dimpotrivă, introducând termometrul în apa din pahar nu constaţi vreo modificare a indicaţiei acestuia (semn că nu există un transfer net de energie), termometrul este în echilibru termic cu apa din pahar.

Toate sistemele termodinamice care sunt în echilibru termic sunt caracterizate de "ceva" care trebuie să fie identic pentru aceste sisteme. Dimpotrivă, această caracteristică trebuie să fie diferită pentru sistemele care nu sunt în echilibru termic.

 Numim temperatură a unui sistem termodinamic mărimea fizică scalară care indică dacă acel sistem este sau nu în echilibru termic cu alt sistem.

Toate sistemele termodinamice care sunt în echilibru termic sunt caracterizate de aceeaşi temperatură, chiar dacă alte caracteristici ale sistemelor sunt diferite (masă, volum, presiune etc.).

Sistemele termodinamice care nu sunt în echilibru termic au temperaturi diferite. Am ales ca sistemul care transferă energie prin interacţiune termică să fie caracterizat de o temperatură mai mare decât temperatura sistemului care primeşte energie.

Toate aceste consideraţii pot fi sintetizate într-un enunţ de maximă generalitate:

 Principiul zero al termodinamicii: Două sisteme termodinamice care sunt în echilibru termic cu un al treilei, sunt în echilibru termic şi între ele.

Acest principiu afirmă tranzitivitatea echilibrului termic, fundamentează introducerea noţiunii de temperatură şi nu este o afirmaţie banală! Multe relaţii nu sunt tranzitive. De exemplu, dacă două bucăţi de fier interacţionează magnetic cu o bucată magnetizată de fier, primele două bucăţi nu interacţionează magnetic între ele.

 Provocarea 4-1

Un termometru în echilibru termic cu o pardoseală de ciment indică 25°C. Acelaşi termometru, în echilibru termic cu un covor de pe pardoseala de ciment indică tot 25°C. Păşind desculţ(ă), pardoseala de ciment îţi pare mai rece decât covorul.

Sunt oare în echilibru termic covorul şi pardoseala?

Conform principiului zero al termodinamicii, pardoseala de ciment şi covorul sunt în echilibru termic, devreme ce sunt, rând pe rând, în echilibru termic cu termometrul care indică 25°C, chiar dacă senzaţiile tale sunt diferite. Eşti deja avertizat(ă) că senzaţiile de cald şi rece pot fi înşelătoare!

Caracterizarea stării unui sistem termodinamic conţine şi temperatura ca unul dintre parametrii semnificativi.

Când creşte temperatura unui corp (cum este lichidul unui termometru), modificarea volumului lichidului este corelată cu modificarea temperaturii acestuia. Unii parametrii care caracterizează starea depind de valorile altor parametri.

 Numim parametri independenţi ai unui sistem acei parametri ai sistemului ale căror valori nu depind de valorile celorlalţi parametri.

Putem alege convenabil parametrii independenţi. De exemplu, din setul de parametri masă, volum, densitate, putem alege oricare doi ca fiind independenţi. Cel de−al treilea poate fi obţinut din relaţia de definiţie a densităţii.

Ce nu putem alege este numărul parametrilor independenţi − acest număr este o caracteristică a fiecărui sistem.

 Numărul de parametrii independenţi ai unui sistem este numărul de grade de libertate ale sistemului.

Cunoscând valorile tuturor parametrilor independenţi ai unui sistem, caracterizarea acelui sistem este completă.

 Numim stare a unui sistem setul valorilor tuturor parametrilor independenţi ai acelui sistem.

Prin interacţiuni (interne sau cu mediul extern), starea unui sistem termodinamic se poate modifica în timp.

 Numim transformare a unui sistem oricare modificare a stării acelui sistem.

Încălzirea şi răcirea, comprimarea sau destinderea sunt exemple de transformări.

Dacă am putea izola un sistem termodinamic de mediul său, după un timp suficient de lung ne aşteptăm ca parametrii sistemului să se stabilizeze.

 Numim echilibru termodinamic starea unui sistem termodinamic care, odată atinsă, nu se mai modifică fără interacţiuni cu mediul sistemului.

 Provocarea 4-2

Încăperea în care te afli, cu tot ce conţine, este oare în echilibru termodinamic?