Введение

Термодинамический прибор – это любое устройство для измерения термодинамических систем. Для того чтобы термодинамический параметр или физическая величина были действительно определены, необходимо указать метод их измерения. Например, окончательное определение температуры – «то, что показывает термометр». Возникает вопрос: что такое термометр? Существует два типа термодинамических приборов: измеритель и резервуар. Термодинамический измеритель – это любое устройство, которое измеряет любой параметр термодинамической системы. Термодинамический резервуар – это система, настолько большая, что при контакте с исследуемой системой не изменяет существенно параметры своего состояния. Этот принцип, как отметил Джеймс Максвелл в 1872 году, утверждает, что возможно измерить температуру. Идеализированный термометр представляет собой образец идеального газа при постоянном давлении. Согласно закону идеального газа, объем такого образца может использоваться как индикатор температуры; таким образом он определяет температуру. Хотя давление определяется механически, устройство для измерения давления, называемое барометром, также может быть сконструировано из образца идеального газа, поддерживаемого при постоянной температуре. Калориметр – это устройство, которое используется для измерения и определения внутренней энергии системы. Некоторые распространенные термодинамические измерители:

Термометр – устройство, которое измеряет температуру, как описано выше.
Барометр – устройство, которое измеряет давление, в особенности атмосферное давление. Идеальный газовый барометр может быть создан путем механического соединения идеального газа с измеряемой системой, при этом обеспечивая ее теплоизоляцию. Объем в этом случае будет измерять давление, согласно уравнению идеального газа P=NkT/V.
Калориметр – устройство, которое измеряет тепловую энергию, добавленную к системе. Простой калориметр – это просто термометр, подключенный к теплоизолированной системе.

Теория

Предположим, что мы достаточно хорошо понимаем механику, чтобы понимать и измерять объем, площадь, массу и силу. Их можно объединить для понимания понятий давления, определяемого как сила на единицу площади, и плотности, определяемой как масса на единицу объема. Экспериментально установлено, что при достаточно низких давлениях и плотностях все газы ведут себя как идеальные газы. Поведение идеального газа описывается законом идеального газа:

где P – давление, V – объем, N – число частиц (общая масса, деленная на массу одной частицы), k – постоянная Больцмана, а T – температура. Фактически, это уравнение – не просто феноменологическое, оно дает оперативное, или экспериментальное, определение температуры. Термометр – это инструмент для измерения температуры. Примитивный термометр можно представить как небольшой сосуд с идеальным газом, которому разрешается расширяться под атмосферным давлением. Если ввести его в тепловой контакт с системой, температуру которой необходимо измерить, дождаться установления равновесия и затем измерить объем термометра, можно будет рассчитать температуру системы по формуле T = PV/Nk. Желательно, чтобы термометр был достаточно мал, чтобы не оказывать существенного влияния на температуру измеряемой системы, а также чтобы расширение термометра не влияло на атмосферное давление. Идеальный газовый термометр можно определить более точно как систему, содержащую идеальный газ, термически связанную с измеряемой системой, но динамически и материально изолированную от нее. Одновременно он динамически соединен с внешним резервуаром давления, от которого он материально и термически изолирован. Другие термометры (например, ртутные, отображающие объем ртути наблюдателю) могут быть сконструированы и откалиброваны относительно идеального газового термометра.