Кіріспе
Термодинамикалық құрал – термодинамикалық жүйелерді өлшеуге арналған кез келген құрылғы. Термодинамикалық параметр немесе физикалық шаманы дұрыс анықтау үшін, оны өлшеу әдісі көрсетілуі керек. Мысалы, температураның нақты анықтамасы – «термометр көрсеткен мән». Осыдан кейін сұрақ туындайды: термометр дегеніміз не? Термодинамикалық құралдардың екі түрі бар: өлшегіш және резервуар. Термодинамикалық өлшегіш – термодинамикалық жүйенің кез келген параметрін өлшейтін кез келген құрылғы. Термодинамикалық резервуар – сынақ жүйесімен жанасқанда өз күй параметрлерін едәуір өзгерте алмайтын өте үлкен жүйе. Бұл принципті 1872 жылы Джеймс Максвелл атап өткендей, температураны өлшеуге болады. Идеал термометр – тұрақты қысымдағы идеал газдың үлгісі. Идеал газ заңы бойынша, мұндай үлгінің көлемін температураның көрсеткіші ретінде пайдалануға болады; осылайша ол температураны анықтайды. Қысым механикалық түрде анықталғанымен, қысымды өлшейтін барометр құрылғысын тұрақты температурада сақталатын идеал газ үлгісінен жасауға болады. Калориметр – жүйенің ішкі энергиясын өлшеу және анықтау үшін қолданылатын құрылғы. Көп қолданылатын термодинамикалық өлшегіштер:
Термометр – жоғарыда сипатталғандай температураны өлшейтін құрылғы.
Барометр – қысымды, әсіресе атмосфералық қысымды өлшейтін құрылғы. Идеал газ барометрін идеал газды өлшенетін жүйеге механикалық түрде қосу арқылы, оны жылудан оқшаулап жасауға болады. Көлем идеал газ теңдеуі бойынша P=NkT/V арқылы қысымды өлшейді.
Калориметр – жүйеге қосылған жылу энергиясын өлшейтін құрылғы. Жай калориметр – термиялық оқшауланған жүйеге қосылған термометр.
Barometer a device which measures pressure, most notably atmospheric pressure. An ideal gas barometer may be constructed by mechanically connecting an ideal gas to the system being measured, while thermally insulating it. The volume will then measure pressure, by the ideal gas equation P=NkT/V Calorimeter a device which measures the heat energy added to a system. A simple calorimeter is simply a thermometer connected to a thermally isolated system.
Теория
Біз механиканы көлемді, ауданды, массаны және күшті түсінуге және өлшеуге жеткілікті меңгергеніміз деп алайық. Бұларды қысым – яғни бірлік ауданына шаққандағы күш, және тығыздық – яғни бірлік көлеміне шаққандағы масса ұғымдарын түсіну үшін біріктіруге болады. Тәжірибе жүзінде, барлық газдар жеткілікті төмен қысым мен тығыздықта идеалды газдар сияқты мінез-құлық көрсететіні анықталды. Идеалды газдың мінез-құлқы идеалды газ заңымен сипатталады:
мұнда P – қысым, V – көлем, N – бөлшектердің саны (жалпы масса бөлшектің массасына бөлінген), k – Больцман тұрақтысы, ал T – температура. Шындығында, бұл теңдеу тек құбылыстарды сипаттаушы теңдеу ғана емес, ол температураның операциялық немесе эксперименттік анықтамасын береді. Термометр – температураны өлшейтін құрал. Ең қарапайым термометр – атмосфералық қысымға қарсы кеңейтілген идеалды газдың кішкентай ыдысы болар еді. Егер біз оны температурасын өлшегіміз келетін жүйемен жылулық байланысқа келтіріп, тепе-теңдікке жеткенше күте тұрып, термометрдің көлемін өлшесек, онда жүйенің температурасын T = PV/Nk формуласы арқылы есептей аламыз. Термометрдің өлшейтін жүйенің температурасын айтарлықтай өзгерте қоймауы және атмосфералық қысым термометрдің кеңеюіне тәуелді болмауы тиіс. Идеалды газ термометрін дәлірек анықтау үшін, оны идеалды газды қамтитын, өлшейтін жүйемен жылулық байланыста, бірақ динамикалық және материалдық тұрғыдан оқшауланған жүйе деп айтуға болады. Сонымен қатар, ол сыртқы қысым резервуарымен динамикалық байланыста болады, бірақ одан материалдық және жылулық жағынан оқшауланған. Басқа термометрлерді (мысалы, сынап термометрлерін, олар бақылаушыға сынап көлемін көрсетеді) құрастырып, идеалды газ термометрімен салыстырып калибрлеуге болады.