Термодинамика как раздел физики¶

Термодинамика — раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия и в процессах перехода между этими состояниями. Предметом изучения являются закономерности превращения энергии, теплоты и работы, а также свойства веществ, описываемые такими макроскопическими величинами, как температура, давление, объём, внутренняя энергия и энтропия. Термодинамика не рассматривает движение отдельных молекул, а опирается на небольшое число фундаментальных законов (начал), следующих из обобщения опытных данных.

¶История

Основы термодинамики заложены в XIX веке в связи с развитием теплотехники и необходимостью теоретического описания тепловых машин. Французский инженер Сади Карно в 1824 году в работе «О движущей силе огня» проанализировал условия получения работы из теплоты и ввёл представление о круговом процессе (цикле). В 1840-х годах Юлиус Майер и Джеймс Джоуль независимо установили эквивалентность теплоты и работы, что привело к формулировке закона сохранения энергии. В 1850 году Рудольф Клаузиус дал строгую формулировку второго начала и ввёл понятие энтропии, а Уильям Томсон (лорд Кельвин) развил абсолютную шкалу температур. Позднее Джозайя Уиллард Гиббс построил основы химической термодинамики, введя понятия свободной энергии и химического потенциала.

В России значительный вклад в термодинамику внесли работы учёных XIX—XX веков в области теплотехники и физической химии. Термодинамические методы широко применялись при расчётах паровых машин, двигателей внутреннего сгорания и металлургических процессов.

¶Начала термодинамики

Фундамент дисциплины составляют несколько эмпирических законов.

• Нулевое начало утверждает существование температуры: если две системы находятся в тепловом равновесии с третьей, то они равновесны и между собой. Это обосновывает возможность измерения температуры.
• Первое начало — закон сохранения энергии для тепловых процессов: количество теплоты, сообщённое системе, расходуется на изменение её внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил.
• Второе начало определяет направление самопроизвольных процессов. В формулировке Клаузиуса теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому; в формулировке Кельвина невозможно создать периодически действующий двигатель, полностью превращающий теплоту в работу. Эквивалентной является формулировка через рост энтропии изолированной системы.
• Третье начало (теорема Нернста) устанавливает, что энтропия системы стремится к постоянному значению при приближении температуры к абсолютному нулю.

¶Основные понятия

Термодинамическая система — совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией и веществом между собой и с окружающей средой. Состояние системы описывается набором параметров, важнейшие из которых — температура, давление и объём. Различают интенсивные параметры (не зависящие от количества вещества, например температура и давление) и экстенсивные (пропорциональные массе, например объём и внутренняя энергия).

Функции состояния — величины, зависящие только от текущего состояния системы и не зависящие от пути перехода: внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, свободная энергия Гиббса и Гельмгольца. Величины, зависящие от пути процесса, — теплота и работа.

¶Методы и разделы

В термодинамике выделяют несколько подходов и направлений.

Феноменологический метод опирается на начала термодинамики и не требует знания микроскопического строения вещества. Статистический подход, развитый Людвигом Больцманом и Гиббсом, связывает энтропию с числом микросостояний системы и даёт вероятностную интерпретацию второго начала.

¶Применение

Термодинамика имеет широкое практическое значение.

• Расчёт и оптимизация тепловых и холодильных машин, двигателей, паротурбинных установок.
• Определение условий протекания химических реакций и фазовых переходов в металлургии, нефтехимии, материаловедении.
• Описание свойств газов, жидкостей и твёрдых тел, построение уравнений состояния.
• Климатология и геофизика, где рассматриваются тепловые балансы атмосферы и океана.
• Биология и биоэнергетика при анализе энергетического обмена в живых организмах.

¶Значение и границы применимости

Термодинамика относится к числу наиболее общих естественно-научных дисциплин: её выводы не зависят от конкретного строения вещества, что обеспечивает широкую применимость. Вместе с тем классическая термодинамика описывает только равновесные состояния и медленные (квазистатические) процессы; для систем вдали от равновесия требуются методы неравновесной термодинамики и статистической физики. Законы термодинамики носят статистический характер и с высокой точностью выполняются для макроскопических систем, состоящих из большого числа частиц.

Источники: учебники по общей физике, курсы технической и химической термодинамики, классические работы С. Карно, Р. Клаузиуса, Дж. Гиббса.