Законы термодинамики. 
Физика. 
Тепловые процессы

Все результаты термодинамики содержатся в нескольких простых утверждениях, называемых законами термодинамики.

Так называемый нулевой закон термодинамики, сформулированный в 30-х годах XX столетия (значительно позже других), устанавливает понятие температуры как базовое свойство, характеризующее тепловое равновесие. Его смысл в том, что если тело Л имеет температуру Ти изолированное от него тело В имеет такую же температуру, то при контакте оба тела будут находиться в тепловом равновесии. Нам остаётся только прокалибровать термометр (выбрать шкалу измерений).

Первый закон термодинамики, рассматривая теплоту как один из видов энергии, формулируется как частный вид общего закона сохранения энергии.

Второй закон термодинамики устанавливает отличие теплоты от других видов энергии. В одной из формулировок второго закона термодинамики утверждается, что если все тела имеют одинаковую температуру, то невозможно превратить теплоту в работу. Нужна разность температур.

Третий закон термодинамики утверждает, что абсолютному нулю температуры соответствуют нулевые значения термодинамических величин.

Рассмотрим первый и второй законы термодинамики подробнее. Для этого разберём понятие термодинамического состояния системы и определим, как происходят его превращения.

Уравнение состояния

В механике состояние системы в данный момент времени полностью определено, если известны положение и скорость каждой из её материальных точек. Для системы из N материальных частиц необходимо знать 6N переменных, если отсутствуют связи между ними.

В термодинамике вводится понятие состояния системы как целого. С одной стороны, использовать динамическое определение состояния неудобно, так как все системы, с которыми имеют дело в термодинамике, содержат очень много материальных точек, поэтому практически невозможно определить 6N переменных из уравнения движения. С другой стороны, в этом нет необходимости, так как величины, с которыми приходится иметь дело, описывают средние свойства системы, а значит, точное знание движения каждой материальной точки было бы излишним.

Состояние химических однородных жидкостей и газов характеризуется термодинамическими параметрами: температурой Г, объёмом V и давлением р. Температура может быть измерена термометром, соприкасающимся с системой в течение длительного времени, которое достаточно для установления равновесного состояния. Геометрия системы характеризуется не только объёмом, но и формой.

Однако большинство термодинамических свойств не явно зависит от формы (поскольку число частиц в объёме значительно больше числа частиц, находящихся в поверхностном слое), поэтому объём обычно является единственной заданной величиной. Исключение делается для мелкозернистых веществ, у которых отношение поверхность/объём велико, а также для плёнок. Для данного количества вещества, содержащегося в системе, температура, объём и давление связаны соотношением — уравнением состояния.

Вид уравнения состояния зависит от конкретных свойств вещества. Пользуясь уравнением (5.1), любую из трёх переменных можно выразить как функцию двух других. Поэтому состояние полностью определяется двумя из трёх величин р, V, Т. Часто эти две величины удобно представить графически в прямоугольной системе координат, например (V, p) (V, T) (р, Т). Точка на плоскости определяет состояние системы. Для химически однородного газа (идеального газа) уравнение состояния (5.1) для m/р молей газа (m — масса газа, р — молярная масса) принимает вид.

(уравнение Менделеева—Клапейрона). Только состояния идеального газа изменяются согласно (5.2).

Если есть смесь различных газов, то давление смеси определяется как сумма парциальных давлений:

где /?.— парциальное давление (т. е. давление одного из компонентов в отсугствие других). Уравнение (5.3) выражает собой закон Дальтона.

Состояние химически однородного твёрдого тела, кроме объёма V и температуры Г, задают напряжения (вместо давления). Как правило, напряжения в твёрдом теле различны по разным направлениям. Поэтому вводят тензор напряжений. Если твёрдое тело находится во внешнем электрическом или магнитном поле, то к числу переменных добавляется его поляризуемость Р и намагниченность Л/.