열역학 기기
Thermodynamic instruments
열역학 계측기는 열역학 시스템의 정량적 측정을 용이하게 하는 모든 장치다. 열역학 파라미터를 진정으로 정의하려면 해당 측정 기법을 지정해야 한다. 예를 들어, 온도의 궁극적인 정의는 "온도계가 읽는 것"이다. 질문은 다음과 같다 – 온도계가 무엇인가?
열역학 기기에는 계량기와 저수지의 두 종류가 있다. 열역학 계량기는 열역학 시스템의 모든 파라미터를 측정하는 장치다. 열역학 저장소는 너무 커서 시험 시스템과 접촉했을 때 상태 매개변수를 눈에 띄게 변경하지 않는 시스템이다.
개요
두 개의 일반적인 보완 공구는 미터기와 저수지다. 이 두 종류의 악기는 구별되는 것이 중요하다. 미터는 측정하려고 하는 상태 변수의 저장고처럼 동작할 경우 그 임무를 정확하게 수행하지 않는다. 예를 들어 온도계가 온도 저장소로 작용한다면 측정되는 시스템의 온도를 변경하고 측정값이 부정확할 것이다. 이상적인 측정기는 측정 중인 시스템의 상태 변수에 영향을 미치지 않는다.
열역학계
미터는 열역학 상태의 일부 측면을 관찰자에게 보여주는 열역학 시스템이다. 측정 중인 시스템과의 접촉 특성은 제어할 수 있으며, 측정되는 시스템의 상태에 눈에 띄게 영향을 미치지 않을 정도로 충분히 작다. 아래에 기술된 이론적 온도계는 그런 미터일 뿐이다.
어떤 경우에는 열역학 매개변수가 실제로 이상화된 측정기 측면에서 정의된다. 예를 들어 열역학 제롯 법칙은 두 몸이 제3의 신체와 열 평형을 이루면 서로 열 평형을 이루기도 한다고 명시하고 있다. 이 원칙은 1872년 제임스 맥스웰이 지적한 바와 같이 온도를 측정하는 것이 가능하다고 주장한다. 이상화된 온도계는 일정한 압력에서 이상적인 가스의 표본이다. 이상적인 가스 법칙으로부터, 그러한 샘플의 부피는 온도의 지표로 사용될 수 있다; 이러한 방식으로 그것은 온도를 정의한다. 압력이 기계적으로 정의되지만, 기압계라고 불리는 압력 측정 장치는 일정한 온도로 유지되는 이상적인 기체의 표본으로부터 구성될 수도 있다. 열량계는 시스템의 내부 에너지를 측정하고 정의하는데 사용되는 장치다.
일반적인 열역학 계량기는 다음과 같다.
- 온도계 - 위에서 설명한 대로 온도를 측정하는 장치
- 기압계 - 압력을 측정하는 장치. 이상적인 가스 기압계는 열 절연 상태에서 측정 중인 시스템에 이상적인 가스를 기계적으로 연결하여 구성할 수 있다. 그런 다음 이상적인 가스 방정식 P=NkT/V에 의해 체적이 압력을 측정한다.
- 칼로리계 - 시스템에 추가된 열 에너지를 측정하는 장치. 단순 열량계는 열적으로 격리된 시스템과 연결된 온도계일 뿐이다.
열역학적 저수지
저수지는 보통 제어되는 시스템에 "충돌"함으로써 시스템의 상태를 제어하는 열역학 시스템이다. 이것은 시스템과의 접촉의 성격이 통제될 수 있다는 것을 의미한다. 저수지는 너무 커서 열역학적 상태가 제어되는 시스템의 상태에 의해 눈에 띄게 영향을 받지 않는다. 이론 온도계에 대한 아래 설명에서 "대기압"이라는 용어는 본질적으로 온도계에 대기압을 가하는 "압력 저장고"이다.
일부 일반적인 저장소는 다음과 같다.
- 압력 저장소 - 지금까지 가장 일반적인 압력 저장소는 지구의 대기권이다.
- 온도 저장고 - 3중 지점의 다량의 물이 유효 온도 저장소를 형성한다.
이론
우리가 체적, 면적, 질량, 힘을 이해하고 측정할 수 있을 만큼 역학을 잘 이해하고 있다고 가정해 보자. 이것들은 단위 면적당 힘인 압력과 단위 부피당 질량인 밀도의 개념을 이해하기 위해 결합될 수 있다. 충분한 압력과 밀도에서 모든 기체가 이상적인 기체로 작용한다는 것이 실험적으로 결정되었다. 이상 기체의 행동은 이상 기체 법칙에 의해 주어진다.
여기서 P는 압력, V는 부피, N은 입자의 수(입자당 질량으로 나눈 총 질량), k는 볼츠만의 상수, T는 온도다. 사실, 이 방정식은 현상학적 방정식을 넘어, 온도에 대한 작동적, 또는 실험적인 정의를 제공한다. 온도계는 온도를 측정하는 도구다 - 원시 온도계는 기압에 맞서 팽창할 수 있는 이상적인 가스의 작은 용기일 것이다. 우리가 측정하고자 하는 온도의 열 접촉으로 가져와 평준화가 될 때까지 기다렸다가 온도계의 부피를 측정하면 T=PV/Nk를 통해 해당 시스템의 온도를 계산할 수 있을 것이다. 온도계가 측정하고 있는 시스템의 온도를 눈에 띄게 변화시키지 않을 정도로 작기를 바라며, 또한 온도계의 팽창에 의해 대기압도 영향을 받지 않을 것이다.
이상적인 가스 온도계는 그것이 측정하고 있는 시스템과 열적으로 연결되어 있는 이상적인 가스를 포함하고 있는 시스템이며, 그것으로부터 역동적이고 물질적으로 절연되어 있다고 말함으로써 보다 정확하게 정의할 수 있다. 그것은 외부 압력 저장소와 동시에 동적으로 연결되며, 이 저장소에서 물질적으로 열적으로 절연된다. 이제 다른 온도계(예: 관측자에게 수은의 양을 표시하는 수은 온도계)를 구성하고 이상적인 가스 온도계에 대해 보정할 수 있다.
