Законы термодинамики¶

Законы термодинамики — фундаментальные принципы, описывающие наиболее общие закономерности превращения энергии в макроскопических системах. Они лежат в основе термодинамики — раздела физики, изучающего теплоту, работу и внутреннюю энергию тел. Законы носят эмпирический характер: они установлены обобщением опыта и не выводятся из более простых положений, хотя каждый из них имеет статистическое обоснование в рамках молекулярно-кинетической теории. Формулировки законов не зависят от конкретного строения вещества, что придаёт им универсальность.

¶Первое начало термодинамики

Первое начало (первый закон) термодинамики представляет собой закон сохранения энергии в применении к тепловым процессам. Его формулировка: количество теплоты, сообщённое системе, расходуется на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил.

В дифференциальной форме запись имеет вид:

ΔQ = ΔU + A,

где ΔQ — подведённая теплота, ΔU — изменение внутренней энергии, A — работа системы. Для бесконечно малых процессов используют выражение dQ = dU + dA, а работу часто записывают как dA = p dV, где p — давление, dV — изменение объёма.

Из первого начала следуют важные выводы. Невозможен вечный двигатель первого рода — устройство, совершающее работу без подвода энергии извне. Кроме того, внутренняя энергия является функцией состояния: её изменение не зависит от пути перехода, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы.

¶Второе начало термодинамики

Второе начало (второй закон) термодинамики определяет направление самопроизвольных процессов. Существует несколько эквивалентных формулировок.

• Формулировка Клаузиуса: теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому.
• Формулировка Томсона (Кельвина): невозможно полностью превратить теплоту в работу в циклическом процессе без передачи части теплоты холодильнику.
• Формулировка через энтропию: в замкнутой системе энтропия не убывает; для обратимых процессов она остаётся постоянной, для необратимых — возрастает.

Энтропия S — функция состояния, характеризующая меру неупорядоченности системы. Её изменение при обратимом процессе равно dS = dQ/T, где T — абсолютная температура. Принцип возрастания энтропии объясняет необратимость реальных процессов: самопроизвольно система переходит от менее вероятного состояния к более вероятному.

Второе начало исключает вечный двигатель второго рода — устройство, полностью преобразующее теплоту в работу. Статистическое истолкование закона дал Людвиг Больцман: энтропия пропорциональна логарифму термодинамической вероятности состояния (S = k ln W).

¶Третье начало термодинамики

Третье начало (теорема Нернста) утверждает, что энтропия системы при стремлении абсолютной температуры к нулю стремится к постоянному значению, которое можно принять равным нулю. Из этого следует недостижимость абсолютного нуля температуры конечным числом операций: любое охлаждение требует затрат, а при T → 0 теплоёмкость тел также стремится к нулю.

Теорема сформулирована Вальтером Нернстом в 1906 году и уточнена Максом Планком. Она позволяет вычислять абсолютные значения энтропии и лежит в основе термодинамики низких температур.

¶Нулевое начало

Нулевое начало термодинамики вводит понятие теплового равновесия. Если две системы находятся в тепловом равновесии с третьей, то они находятся в равновесии и между собой. Это положение обосновывает существование температуры как однозначной характеристики состояния и возможность её измерения термометром.

¶Применение и значение

Законы термодинамики описывают работу тепловых машин, холодильных установок, тепловых насосов. На их основе рассчитывают коэффициент полезного действия циклов Карно, Ренкина, Отто, Дизеля. Второе начало задаёт теоретический предел КПД любой тепловой машины, зависящий от температур нагревателя и холодильника.

Законы применяются в химической термодинамике для расчёта тепловых эффектов реакций, в материаловедении, астрофизике, биологии. Первое начало используется при анализе энергобалансов, второе — при оценке направленности процессов и работоспособности систем. В российской науке значительный вклад в развитие термодинамики внесли работы Николая Семёнова, Леонида Ландау и их последователей.

¶Границы применимости

Классическая термодинамика рассматривает системы с большим числом частиц в состоянии, близком к равновесию. Для малых систем и сильных флуктуаций применяют статистическую физику. В релятивистских и квантовых условиях формулировки уточняются, однако основные начала сохраняют силу как фундаментальные принципы естествознания.

Источники: учебники по общей физике, курсы технической термодинамики, работы В. Нернста, Л. Больцмана, справочные издания по физике.