Термодинамика (основные понятия)

Термодина́мика (от греч. \(θέρμη\) – «тепло», \(δύναμις\) – «сила») – раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. Термодинамика – это феноменологическая наука, опирающаяся на обобщения опытных фактов. Она изучает макроскопические системы, состоящие из огромного числа частиц – термодинамические системы. Процессы, происходящие в таких системах, описываются макроскопическими величинами, такими как давление или температура, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

Современная феноменологическая термодинамика является строгой теорией, развиваемой на основе нескольких постулатов. Однако обоснование этих постулатов и их связь со свойствами и законами взаимодействия частиц, из которых построены термодинамические системы, дается статистической физикой. Статистическая физика позволяет выяснить также и границы применимости термодинамики.

Законы термодинамики носят общий характер и не зависят от конкретных деталей строения вещества на атомарном уровне. Поэтому термодинамика успешно применяется в широком круге вопросов науки и техники, таких как энергетика, двигатели, фазовые переходы, химические реакции, явления переноса и даже черные дыры. Термодинамика имеет важное значение для самых разных областей физики и химии, химической технологии, аэрокосмической техники, машиностроения, клеточной биологии, биомедицинской инженерии, материаловедения и находит свое применение даже в таких областях, как экономика.

Термодинамика не рассматривает особенности строения тел на молекулярном уровне. Равновесные состояния термодинамических систем могут быть описаны с помощью небольшого числа макроскопических параметров, таких как температура, давление, плотность, концентрации компонентов и т. д., которые могут быть измерены макроскопическими приборами. Описанное таким образом состояние называется макроскопическим состоянием, и законы термодинамики позволяют установить связь между макроскопическими параметрами. Если параметр имеет одно и то же значение, не зависящее от размера любой выделенной части равновесной системы, то он называется неаддитивным или интенсивным, если же значение параметра пропорционально размеру части системы, то он называется аддитивным или экстенсивным. Давление и температура – неаддитивные параметры, а внутренняя энергия и энтропия – аддитивные параметры.

Макроскопические параметры могут подразделяться на внутренние, характеризующие состояние системы как таковой, и внешние, описывающие взаимодействие системы с окружающей средой и силовыми полями, воздействующими на систему, однако это разделение достаточно условно. Так, если газ заключен в сосуд с подвижными стенками и его объем определяется положением стенок, то объем является внешним параметром, а давление газа зависит от скоростей теплового движения молекул и является внутренним параметром. Напротив, если задается внешнее давление, то его можно считать внешним параметром, а объем газа – внутренним параметром. Постулируется, что в состоянии термодинамического равновесия каждый внутренний параметр может быть выражен через внешние параметры и температуру системы. Такая функциональная связь называется обобщенным уравнением состояния системы.

Термодинамические процессы

При изменении внешних параметров или при передаче энергии в систему в ней могут возникать сложные процессы на макроскопическом и молекулярном уровне, в результате которых система переходит в другое состояние. Равновесная термодинамика не занимается описанием этих переходных процессов, а рассматривает состояние, устанавливающееся после релаксации неравновесностей. В термодинамике широко применяются идеализированные процессы, в которых система переходит из одного состояния термодинамического равновесия в другое, которые непрерывно следуют друг за другом. Такие процессы называются квазистатическими или квазиравновесными процессами. Особую роль в методах термодинамики играют циклические процессы, в которых система возвращается в исходное состояние, совершая по ходу процесса работу и обмениваясь энергией с окружающей средой.

Заметим, что пока что все физические величины так или иначе связывались не только с полной внутренней энергией тела, но и с ее распределением. Очевидно, необходимо было ввести (постулировать!) какую-то новую величину, которая «чувствовала» бы распределение. Эта новая величина в термодинамике – новая функция состояния тела под названием энтропия. Эта энтропия зависит от таких макроскопических характеристик тела, как объем, количество вещества (то есть число молей), и, конечно, внутренняя энергия: \(S = S(V,N,U)\). Постулируем, что энтропия – экстенсивная величина, то есть энтропия всей системы есть сумма энтропий подсистем. Тогда полная энтропия тела оказывается зависящей от того, как именно внутренняя энергия распределена по объему.

Если функция \(S=S(V,N,U)\) ограничена, то, очевидно, для каждой конечной системы имеется максимальное значение энтропии. Постулируем, что состояние внутреннего равновесия – это состояние с максимальной энтропией.

Если функция \(S=S(V,N,U)\) задана, то, так сказать, «термодинамика системы» построена. Все последующие термодинамические характеристики тела (температура, давление, химический потенциал и т. д.) – есть просто математические следствия (в частности, температура связана с производной энтропии по внутренней энергии, и нулевое начало термодинамики следует из свойств функциональной зависимости: \(S=S(V,N,U)\)).