Введение. 
Законы термодинамики

Для установления наиболее рациональных способов использования тепла, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок, умелого комбинирования этих процессов и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима глубокая разработка теоретических основ теплотехники — технической термодинамики и теории теплообмена. Без этого невозможно было бы создавать мощные парои газотурбинные установки с высокими начальными параметрами пара и газа, реактивные двигатели, межконтинентальные баллистические ракеты и другие виды сложнейших тепловых установок.

Очень непросто однозначно и исчерпывающе определить границы конкретной науки и строго выделить её среди смежных наук. Очевидно, в определениях необходимо использовать наиболее общие категории, наименования которых не совпадают с наименованиями каких-либо физических величин. Одним из таких наиболее общих философских понятий является «движение» В философии движение определяется как существенное, неотъемлемое свойство материи, важнейший её атрибут; форма, способ существования материи; всякое взаимодействие материальных объектов, способность материи к изменению, в самом общем виде движение — «это изменение вообще» [Ф. Энгельс. Диалектика природы. — М.: Политиздат, 1982.-359 с.]., которое трудно спутать с физической величиной. Если в существующих определениях термодинамики, даваемых в учебниках, заменить многозначные термины «энергия», «теплота», «работа» на однозначные соответственно — «движение», «хаотическое движение (ХД)», «упорядоченное движение (УД)», а также учесть то обстоятельство, что термодинамика изучает не только процессы, но и свойства тел, то формулировка термодинамики как науки будет следующей:

термодинамика — наука о законах взаимопреобразования различных форм (видов) движения и о макроскопических свойствах тел, обусловленных хаотическим (тепловым) движением всех микрочастиц системы.

В зависимости от особенностей изучаемых видов (форм) движения термодинамика делится на физическую и химическую термодинамику, термодинамику плазмы, диэлектриков, ядерных превращений и др. Основным содержанием современной физической термодинамики является изучение закономерностей хаотической (тепловой) формы движения материи и связанных с ней физических явлений. Приложения термодинамики к тепловым двигателям, холодильным установкам и прочим вопросам теплотехники выделились в самостоятельный раздел, называемый технической термодинамикой.

Техническая термодинамика — наука о законах взаимопреобразования тепла (ХД) и работы (УД) и о свойствах тел, обусловленных тепловым движением микрочастиц этих тел.

В отличие от молекулярной физики термодинамика не вводит никаких специальных гипотез и конкретных представлений о строении вещества, т. е. она рассматривает внешние стороны явлений (феноменов). И в этом смысле термодинамика — наука феноменологическая: она рассматривает вещество как сплошную среду и использует для его исследования такие макропараметры, как давление, удельный объем, температура, определяемые путём прямого измерения.

Термодинамика построена по аксиоматическому принципу. Её основу составляют фундаментальные законы природы, принимаемые за аксиомы; из этих аксиом логическим путём выводятся все главнейшие следствия, касающиеся термодинамических систем. Фундаментальные законы, совокупность которых составляет аксиомы термодинамики, представляют собой обобщение опыта и называются началами (законами) термодинамики.

Классическая феноменологическая термодинамика явно недостаточна, несмотря на её большое значение в описании многочисленных явлений и общих выводов. Она недостаточна потому, что помимо систематики фактов и описания макропроцессов, мы стремимся ещё к объяснению этих фактов, а это без привлечения молекулярной теории строения вещества невозможно. Вот почему все классики термодинамики уделяли большое внимание молекулярно-кинетическому обоснованию результатов термодинамических процессов, а также представлению различных параметров термодинамики (давления, температуры, внутренней энергии и др.) через кинетическую энергию молекул. Поэтому и в данной книге при изложении термодинамики по возможности будут привлекаться необходимые качественные молекулярные представления.

Термодинамику издавна называют королевой наук за её термодинамический метод — ограничиваться минимальным количеством основных законов, использовать, по возможности, упрощённый математический аппарат и раскрывать суть явлений, не ограничиваясь их математическим описанием, а также за обширные области её применения. Её изучают и физики-теоретики, и химики, и философы, и биологи, и электрики, и, естественно, теплотехники — все, кого интересуют вопросы преобразования различных видов энергии (движения) и направление протекания процессов в неравновесных системах.

Техническая термодинамика — это первая специальная дисциплина, с которой встречаются студенты в процессе своей учёбы. Поэтому именно с неё начинается формирование будущих инженеров, и от того, как она будет усвоена, во многом зависит и успешное прохождение ими последующих специальных дисциплин (например, теории двигателей внутреннего сгорания). Знания и навыки, полученные студентами в процессе изучения технической термодинамики, определяют их общий технический уровень культуры.

В настоящее время в физике вообще и в теплотехнике в частности многие используемые термины являются многозначными. В результате возникают определённые затруднения в понимании отдельных контекстов. Например, в контексте «Теплота — форма теплового движения. Передача энергии (формы обмена энергией) происходит двумя способами — работой L и теплотой Q» [21] под термином теплоты одновременно понимаются три различных понятия: хаотическая форма движения, процесс (способ) передачи движения и физическая величина Q.