Лекция 1. Р1.Т1 Предмет и метод термодинамики0.2 часа

Термодинамика занимает особое место в системе естественнонаучных дисциплин. Она представляет собой метод исследования макроскопических систем и процессов в них, и в этом смысле можно провести параллель между термодинамикой и математикой. Так же как в основе математики лежат самые общие законы человеческой логики и обобщение человеческого опыта, так и термодинамика базируется на обобщениях человеческой практики, сформулированных в виде четырёх так называемых начал термодинамики, речь о которых будет идти ниже.

Буквальный перевод слова " термодинамика" с греческого языка означает " сила тепла" (thermos - теплота, жар, dynamikos - сила). В современном понимании термодинамика есть наука, целью которой является изучение поведения макроскопических систем при самых различных воздействиях на них со стороны окружающей среды. При этом в термодинамике существенную роль играют так называемые тепловые процессы, понятия температуры и теплоты в термодинамике являются одними из центральных.

Исторически термодинамика как наука развилась из исследований в области усовершенствования паровых машин с точки зрения их экономической эффективности. Однако такие фундаментальные понятия термодинамики, как теплота, температура, давление, теплоёмкость, работа и другие, а также приборы для их измерения, развивались, обсуждались и уточнялись значительно раньше, в XVII - XVIII веках.

Вклад в развитие термодинамики внесли многие учёные, по своим интересам и по роду своей деятельности занимающиеся исследованием макроскопических систем. Перечислим наиболее выдающихся из них: М.В. Ломоносов (Россия, 1711 - 1765), Л. Больцман (Австрия, 1844 - 1906), Д.В. Гиббс (США, 1839 - 1903), Дж.П. Джоуль (Англия, 1818 - 1889), Сади Карно (Франция, 1796 - 1832), Б. Клапейрон (Франция, 1799 - 1864), Р. Клаузиус (Германия, 1822 - 1888), Р.Ю. Майер (Германия, 1814 - 1878), Дж.К. Максвелл (Англия, 1831 - 1879), Д.И. Менделеев (Россия, 1834 - 1907), У.Дж.М. Ренкин (Шотландия, 1820 - 1872), В. Томсон (лорд Кельвин) (Англия, 1824 - 1907).

Объектом изучения термодинамики является термодинамическая система, под которой понимается ограниченное в пространстве макроскопическое тело или совокупность тел, находящихся в тепловом и механическом взаимодействии друг с другом и окружающей средой.

Под окружающей средой понимается все то, что не вошло в термодинамическую систему.

Воображаемая или физическая поверхность, отделяющая термодинамическую систему от окружающей среды, называется оболочкой системы или контрольной поверхностью.

Метод термодинамики – феноменологический (описательный) без проникновения в структуру вещества. Феноменологический метод подразумевает исследование отклика системы на внешние воздействия, не вникая в причины того или иного поведения вещества, гипотеза молекулярного строения вещества термодинамику не интересует. Мы, однако, часто будем обращаться к молекулярно-кинетической теории для объяснения явлений и вычисления некоторых свойств веществ, значения которых, строго говоря, необходимо всегда брать из эксперимента. В частности, в рамках термодинамики невозможно дать определение макроскопического тела, это можно сделать, только приняв гипотезу молекулярного строения вещества. Тело тогда можно считать макроскопическим, когда оно содержит достаточно большое число частиц , такое, что относительное среднеквадратическое отклонение от среднего, определяемое соотношением , меньше некоторого значения, допускаемого практическими соображениями. Так, например, если нас удовлетворяет разброс значений некоторой величины около среднего значения в 10%, то систему из 100 частиц уже можно считать макроскопической. На практике речь обычно идёт о системах, число частиц в которых чудовищно велико, порядка числа Авогадро, поэтому в большинстве случаев флуктуациями макроскопических параметров можно пренебречь.

Возникшая из практических задач совершенствования тепловых двигателей, термодинамика в настоящее время значительно переросла свои первоначальные рамки; термодинамический метод оказался мощным инструментом исследования практически во всех областях естественных наук; более того, любая из научных дисциплин, претендующая на достоверность, обязательно должна удовлетворять законам термодинамики. Широкая применимость термодинамического метода потребовала разработки частных подходов к исследованиям в той или иной области, что привело к появлению разделов термодинамики со своими специфическими подходами к решению практических задач. Так сформировались такие научные дисциплины как химическая термодинамика, техническая термодинамика, термодинамика растворов и электролитов, неравновесная термодинамика, термодинамика излучения и т.д.

Техническая термодинамика изучает вопросы превращения теплоты в работу в тепловых машинах с точки зрения максимальной эффективности. В основе термодинамического расчёта тепловых двигателей лежат два начала (принципа, закона), которые формулируются в виде утверждений о принципиальной невозможности построения вечных двигателей первого и второго рода, о которых будет идти речь ниже. Однако, прежде чем рассматривать термодинамику тепловых машин, следует изучить сам термодинамический метод, дать строгие, однозначные определения термодинамических терминов, выяснить их физический смысл, способы измерения и вычисления термодинамических параметров.