Предмет и особенности термодинамики.

В истории науки немаловажную роль сыграло изучение тепловых процессов. Этот объект, известный с древнейших времен, стал предметом изучения с XII столетия. Но только в середине XIX века сформировались основы научных представлений о природе тепла. В основу этих представлений легли:

1. Атомистическая теория строения вещества.

2. Закон сохранения энергии.

3. Молекулярно-кинетическая теория.

В указанный период пришла к завершению многолетняя борьба сторонников вещественной (теплород [88]) и корпускулярной (движение молекул (корпускул) вещества) теорий теплоты и сформировались термодинамический и молекулярно-кинетический подход к изучению тепловых явлений.

Исторически термодинамика возникла как наука, изучающая переход теплоты в механическую работу, что диктовалось, прежде всего, необходимостью дать теоретические основы работы тепловых машин. Современная термодинамика – это наука, изучающая взаимную связь между различными видами энергии и влияние этой связи на свойства физических тел. Важнейшим свойством термодинамики является рассмотрение процессов, происходящих в природе, с точки зрения превращений энергии в этих процессах.[89]

Термодинамику в шутку называют " палкой о трех началах", поскольку эта часть физики была аксиоматизирована, а число ее базовых постулатов - 3. Положения и выводы термодинамики являются логическим развитием ее трех основных законов.

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии для тепловых процессов: количество теплоты, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение телом работы:

U = A + Q где U – внутренняя энергия, A – работа, Q – теплота.

Второе начало термодинамики характеризует направление протекания термодинамического процесса и имеет несколько равнозначных формулировок:

1. Невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела менее нагретого, к телу, более нагретому.

2. В природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении - в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим.

3. КПД любой тепловой машины всегда меньше 100%, то есть не возможен вечный двигатель.

4. КПД реальной паровой машины всегда меньше КПД идеальной паровой машины.

5. Энтропия изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает, ибо система, предоставленная самой себе, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна.

Третье начало термодинамики имеет сложную формулировку и непросто для понимания неспециалистами, однако с достаточной долей упрощения его можно сформулировать следующим образом: при устремлении состояния равновесной системы к абсолютному нулю, ее энтропия обращается в нуль. Для анализа рассматриваемых нами в данном случае мировоззренческих и концептуальных вопросов, достаточно первых двух начал.

Термодинамика построена как обобщение опытных фактов, она позволяет рассматривать широкий круг природных и технических явлений, не вскрывая их молекулярный механизм. Термодинамика не дает ответа на вопрос о причинах происходящих явлений, но позволяет с достаточной степенью точности описать, происходящие процессы.

Термодинамический подход представляет собой такой взгляд на природу тепловых явлений, при котором не учитывается молекулярное строение тела. При этом подходе учитываются величины, регистрируемые макроприборами, на которые оказывают действие среднестатистические характеристики огромного числа микрообъектов (например: температура, давление и т.п.).

В термодинамике состояние системы задается ее соответствующими параметрами, любое изменение которых называется термодинамическим процессом. Термодинамические параметры можно разделить на величины, которые имеют и термодинамический и механический смысл (объем, давление, энергия), и величины, которые имею только статистический смысл (температура, энтропия).

Некоторые термодинамические параметры, например, температура не являются наглядными и нуждаются в прояснении. Температура – одно из основных понятий, играющих важную роль в физической картине природы. Несмотря на свою простоту, этот параметр трудно поддается определению. Температура является величиной статистической, т.е. она имеет смысл только для макроскопических тел. Говорить о температуре атома, или отдельной молекулы (а также двух, трех и т.д. молекул) бессмысленно. Измерение температуры термометрами дает представление только об относительной температуре. Абсолютный смысл понятия температуры можно вывести только из второго начала термодинамики.

Таким же статистическим смыслом обладает и другой термодинамический параметр – давление. Оно определяется как сила, действующая на единицу площади. Давление, таким образом, также является макропараметром, неопределяемым для микровеличин.

Термодинамические характеристики внесли в картину мира классической механики значительные изменения. Во-первых, это осознание вероятностного характера термодинамического поведения макросистем. Во-вторых, осознание направленности процессов, их так сказать эволюционного характера. Можно считать, что термодинамика внесла в физику эволюционную теорию или, по образному выражению И.Пригожина, " стрелу времени" [90].