Термодинамика¶
Термодинамика — раздел физики, изучающий макроскопические процессы обмена теплотой и работой между телами и системами, а также условия их необратимости. Термодинамика оперирует такими понятиями, как температура, внутренняя энергия, энтропия, теплопроводность, и описывает равновесные и неравновесные состояния вещества. В отличие от молекулярно-кинетической теории, термодинамика не рассматривает микроскопическое строение тел, а строится на обобщённых законах, проверяемых опытом.
¶История
¶Рождение науки
Термодинамика возникла в XVIII–XIX веках в связи с разработкой тепловых машин. В 1784 году Джеймс Уатт усовершенствовал паровую машину, что поставило вопрос о количественных законах превращения теплоты в работу. Основополагающий вклад внёс Сади Карно, который в трактате «О движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу» (1824) установил, что КПД тепловой машины определяется только температурами нагревателя и холодильника и не зависит от рабочего тела.
¶Формулировка законов
В 1842 году Юлиус Роберт Майер и Джеймс Джоуль независимо друг от друга установили закон сохранения энергии применительно к тепловым процессам. В 1850-х годах Рудольф Клаузиус сформулировал понятие энтропии и второе начало термодинамики, а Уильям Томсон (лорд Кельвин) предложил абсолютную температурную шкалу. В 1865 году Клаузиус ввёл сам термин «термодинамика» и сформулировал её законы в современной форме.
¶Основные понятия
| Понятие | Определение |
|---|---|
| Температура | Мера средней кинетической энергии молекул, определяющая направление теплопередачи |
| Внутренняя энергия | Сумма кинетической и потенциальной энергии молекул системы |
| Работа | Передача энергии за счёт макроскопического перемещения границ системы |
| Теплота | Передача энергии вследствие разности температур |
| Энтропия | Мера неупорядоченности системы; в замкнутой системе не убывает |
¶Законы термодинамики
¶Нулевое начало
Если две системы теплового равновесия находятся в равновесии с третьей, то они находятся в равновесии между собой. Это начало обосновывает существование температуры как функции состояния.
¶Первое начало
Энергия не возникает из ничего и не исчезает: изменение внутренней энергии системы равно сумме переданной ей теплоты и совершённой над ней работы. Формально: ΔU = Q − A. Первое начало — это закон сохранения энергии, применённый к тепловым процессам, и оно запрещает вечные двигатели первого рода.
¶Второе начало
Формулировки Клаузиуса и Кельвина эквивалентны: теплота самопроизвольно не переходит от холодного тела к горячему; невозможно построить циклический процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу. Второе начало вводит энтропию: в замкнутой системе энтропия не убывает, достигая максимума в равновесии. Оно запрещает вечные двигатели второго рода и определяет необратимость естественных процессов.
¶Третье начало
При приближении к абсолютному нулю температуры энтропия системы стремится к константе. Неразличимость изотопов и квантовые эффекты делают достижение абсолютного нуля невозможным.
¶Области термодинамики
- Классическая равновесная термодинамика — описывает системы в термодинамическом равновесии, оперирует функциями состояния и циклами (цикл Карно, цикл Отто, цикл Дизеля).
- Статистическая термодинамика — связывает макроскопические величины с вероятностными характеристиками микросостояний (Людвиг Больцман, Джосая Уиллард Гиббс). Формула Больцмана S = k·ln W связывает энтропию с числом микросостояний.
- Термодинамика неравновесных процессов — изучает системы, удалённые от равновесия: теплопроводность, диффузия, химические реакции, фазовые переходы. Основоположник — Илья Пригожин, удостоенный Нобелевской премии по химии в 1977 году.
¶Применение
Термодинамика лежит в основе теплотехники, химической технологии, астрофизики, криогеники и материаловедения. Циклы Карно, Отто и Дизеля описывают работу двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Термодинамические расчёты применяются при проектировании холодильных установок, теплообменников, реакторов. В физике конденсированного состояния термодинамические потенциалы (энтальпия, свободная энергия Гельмгольза, потенциал Гиббса) определяют условия существования фаз и направление фазовых переходов. В биофизике термодинамические принципы объясняют устойчивость белковых структур и энергетику биологических мембран.
¶Интересные факты
- Абсолютный ноль (−273,15 °C) недостижим: согласно третьему началу, для охлаждения системы до абсолютного нуля требуется бесконечное число операций.
- Энтропия Вселенной, согласно модели «тепловой смерти», возрастает, что связывают с необратимостью всех естественных процессов.
- В 1998 году Нобелевская премия по физике была присуждена Роберту Лафлину, Хорсту Штёрмеру и Дэвиду Ли за открытие квантовой жидкости электронов в сверхпроводящих системах, что опиралось на термодинамические методы.
¶Источники
- Клаузиус Р. «Механическая теория теплоты» (1865)
- Карно С. «О движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу» (1824)
- Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. «Статистическая физика»
- Пригожин И., Дефей Р. «Термодинамика: от равновесия к неравновесию»
- Малкин И. Б. «Термодинамика»