Основные законы термодинамики

Предмет термодинамики

Процессы обмена энергией сопровождают любые явления в окружающем мире, поэтому термодинамика, разрабатывая общие методы изучения энергетических явлений, имеет всеобщее методологическое значение и ее методы используют в самых различных областях знания. Раздел термодинамики, в котором общие методы, определения, математический аппарат разрабатываются безотносительно к какому-либо конкретному приложению, часто называют общей (или физической) термодинамикой. В технической термодинамике [8] общие положения применяются для исследования явлений, сопровождающих обмен энергией в тепловой и механической формах. Таким образом, техническая термодинамика является теорией действия тепловых машин, составляющих основу современной энергетики. Химическая термодинамика представляет собой приложение общих термодинамических соотношений к явлениям, в которых процессы обмена энергией сопровождаются изменениями химического состава участвующих тел.

Указанное деление термодинамики на разделы является в значительной степени условным. Так, выводы общей термодинамики справедливы для всех других ее разделов, процессы горения топлива в тепловых двигателях объясняются методами химической термодинамики и т. д.

При изучении термодинамики и применении ее соотношений для анализа конкретных явлений следует учитывать те особенности термодинамического подхода к описанию явлений, которые отличают термодинамический метод от методов, принятых в других областях естественных наук. В качестве главных особенностей термодинамического метода можно указать следующие три:

1. Термодинамический метод построен на использовании весьма небольшого числа обобщенных закономерностей, сформулированных в результате накопления и научного анализа огромного экспериментального материала. Эти закономерности подтверждены всем опытом развития естественных наук и имеют степень достоверности, что позволяет рассматривать эти закономерности как законы природы. Исторически эти основные закономерности были сформулированы в форме трех законов или так называемых трех начал термодинамики.

Первый закон термодинамики — это всеобщий закон сохранения и превращения энергий, сформулированный в специальных термодинамических понятиях.

Второй закон термодинамики устанавливает определенную направленность изменений, возникающих в реальных процессах обмена энергией. Этот закон используется для явлений, которые включают тепловую форму обмена энергией.

Третий закон термодинамики объясняет поведение вещества при температуре, стремящейся к абсолютному нулю и имеет более ограниченную область приложения. Иногда к числу основных законов термодинамики относят еще один, так называемый «нулевой» закон — закон о термическом равновесии между телами, имеющими одинаковую температуру.

2. Для описания процессов обмена энергией с помощью различных соотношений, получаемых на основе трех законов, в термодинамике используют только такие физические понятия и величины, смысл которых не связан с существующими представлениями о микроскопическом (молекулярном, атомарном и т. д.) строении материи. Эти величины могут быть либо непосредственно измерены, либо вычислены по термодинамическим соотношениям с использованием измеренных величин. Они характеризуют результаты (итоги) действия огромного числа индивидуальных микроскопических частиц вещества, когда влияние каждой отдельной частицы становится неразличимым. Подобного рода величины называют макроскопическими, феноменологическими или термодинамическими в отличие от микроскопических величин, характеризующих поведение отдельных молекул, атомов и других мельчайших частиц, составляющих макроскопические тела. Примерами феноменологических величин могут служить температура, давление, плотность. Эти понятия имеют смысл только для макроскопических тел.

Преимущество феноменологического подхода состоит в том, что справедливость термодинамических соотношений и выводов не нарушается, когда в ходе развития физики непрерывно углубляются или даже в корне изменяются представления о строении вещества. Общие термодинамические соотношения применимы к веществам в любом состоянии газам, парам, твердым и жидким телам, а также к электромагнитному излучению, — несмотря на большие различия в конкретных физических свойствах этих форм материи.

Недостаток феноменологического метода состоит в том, что для использования общих термодинамических соотношений в конкретных случаях необходима информация о свойствах веществ, что требует экспериментального исследования этих свойств каждого конкретного вещества.

В конце XIX в. стала развиваться так называемая статистическая термодинамика, являющаяся разделом статистической физики. В статистической термодинамике свойства макроскопических тел вычисляются на основе конкретных представлений о строении вещества из элементарных частиц (идеальный газ рассматривается как совокупность невзаимодействующих частиц, твердое тело — как идеальная кристаллическая решетка и т. п.).

3. Выводы термодинамики нельзя распространять на бесконечную Вселенную, поскольку основные положения термодинамики формировались в результате наблюдения явлений лишь в ограниченной ее части. Две предыдущие особенности термодинамического метода определяют область приложения термодинамики, устанавливая определенные границы ее действия. С одной стороны, в силу своей феноменологичности термодинамические методы исследования можно применять только к макроскопическим телам, т. е. состоящим из весьма большого числа элементарных частиц. С другой стороны, эти тела или совокупности тел должны быть ограниченными.