Все формулы РФ

Физика / Термодинамика

Условие теплового равновесия

Тепловое равновесие двух тел означает равенство их температур и отсутствие направленного теплообмена между ними. Это условие лежит в основе термометрии.

Опубликовано: Обновлено:

Школьная программаОГЭЕГЭФормулы по физике за 8 классФормулы по физике за 10 классФормулы по физике для ЕГЭТермодинамикаКалькулятор

Формула

$$T_1=T_2$$
Схема Выравнивание температур
T1T2равновесие: T1 = T2

Равновесие не означает равенство энергий, только равенство температур.

Обозначения

$T_1$
температура первого тела или системы, К или °C для разностей и равенства
$T_2$
температура второго тела или системы, К или °C для разностей и равенства

Условия применения

  • Тела имеют тепловой контакт и могут обмениваться энергией как теплотой.
  • Система успела прийти к равновесию, а не находится в промежуточном процессе.
  • Нет внешнего источника, который поддерживает постоянную разность температур.

Ограничения

  • Равенство температур не означает равенство внутренних энергий или количеств теплоты.
  • При фазовых переходах часть энергии может идти на изменение агрегатного состояния при постоянной температуре.
  • В неравновесных системах температура может быть неоднородной, и одной величины T для всего тела недостаточно.

Подробное объяснение

Температура определяет направление теплопередачи. Если два тела имеют разные температуры и находятся в тепловом контакте, энергия как теплота переходит от более горячего тела к более холодному. Процесс продолжается, пока температуры не сравняются. После этого макроскопического направленного потока тепла между телами нет, хотя микроскопический обмен энергией продолжается в обе стороны.

Условие T1 = T2 лежит в основе нулевого начала термодинамики. Если тело A находится в тепловом равновесии с телом B, а тело B - с телом C, то A и C также находятся в тепловом равновесии. Благодаря этому температура является измеримой величиной, а термометр может показывать температуру тела после установления равновесия с ним.

В задачах равновесная температура находится не из одного равенства T1 = T2, а из сочетания этого условия с законом сохранения энергии. Равенство температур говорит, какое состояние считать конечным, а тепловой баланс позволяет вычислить значение этой температуры.

Как пользоваться формулой

  1. Определите тела, между которыми возможен теплообмен.
  2. Проверьте, что речь идет о конечном равновесном состоянии.
  3. Запишите равенство конечных температур.
  4. Для численного расчета добавьте уравнение теплового баланса.
  5. Учитывайте фазовые переходы и теплопотери, если они указаны в условии.

Историческая справка

Понятие теплового равновесия возникло из практики термометрии и изучения теплопередачи. До молекулярной теории тепло часто трактовали как особую субстанцию, но опыт показывал, что контакт тел приводит к выравниванию некоторой измеримой величины - температуры. Нулевое начало термодинамики было сформулировано позже первых двух начал, но логически оно лежит в основе всей температурной шкалы: именно тепловое равновесие позволяет сравнивать температуры разных тел через термометр. С развитием статистической физики равновесие получило микроскопическое объяснение как состояние без направленного потока энергии между системами. Поэтому простое равенство температур стало фундаментом измерений, калибровки термометров и практических расчетов теплообмена.

Пример

Горячий металлический шар опустили в холодную воду и теплоизолировали систему от окружающей среды. В начале температуры различны, поэтому тепло переходит от шара к воде. Через достаточно долгое время направленный теплообмен прекращается: шар и вода имеют одну общую температуру T. Именно это записывают как T1 = T2. В расчетной задаче дополнительно используют баланс тепла: тепло, отданное горячим телом, равно теплу, полученному холодным, если потерь нет. Но конечное условие равновесия задается именно равенством температур, а не равенством масс или энергий тел.

Частая ошибка

Частая ошибка - думать, что при равновесии тела содержат одинаковую внутреннюю энергию. Большой бак воды и маленькая ложка могут иметь одну температуру, но совершенно разные внутренние энергии. Вторая ошибка - ставить T1 = T2 сразу после контакта, хотя равновесие требует времени. Еще одна ошибка - игнорировать потери тепла в окружающую среду при лабораторных расчетах.

Практика

Задачи с решением

Смысл равновесия

Условие. Два тела находятся в тепловом контакте и их температуры стали равны. Идет ли направленный теплообмен?

Решение. При T1 = T2 тепловое равновесие установлено, направленного теплообмена между телами нет.

Ответ. нет

Термометр

Условие. Почему термометр нужно подержать в жидкости некоторое время перед снятием показаний?

Решение. Термометр должен прийти в тепловое равновесие с жидкостью, то есть его температура должна стать равной температуре жидкости.

Ответ. чтобы установилось T_термометра = T_жидкости

Калькулятор

Посчитать по формуле

Введите значения и нажмите «Рассчитать».

Дополнительные источники

  • OpenStax College Physics 2e, раздел Temperature and Thermal Equilibrium
  • ФИПИ: кодификатор ОГЭ и ЕГЭ по физике, тепловые явления

Связанные формулы

Физика

Первый закон термодинамики

$Q=\Delta U + A$

Первый закон термодинамики выражает сохранение энергии: полученное системой тепло идет на изменение внутренней энергии и работу, совершенную системой.

Физика

Закон Генри для растворимости газа

$c=k_H p$

Закон Генри утверждает, что при постоянной температуре растворимость газа в жидкости пропорциональна парциальному давлению этого газа над раствором.