Основные понятия и определения. Раздел физики, рассматривающий любые механические, электрические, магнитные и химические явления с учетом сопровождающих их тепловых явлений

Раздел физики, рассматривающий любые механические, электрические, магнитные и химические явления с учетом сопровождающих их тепловых явлений, называется термодинамикой (далее - ТД). Понятие теплоты – одно из основных понятий ТД, например, как понятие работы в механике. Второй величиной, характерной для ТД, является понятие температуры, возникшее из субъективного ощущения тепла и холода. Остальные величины, применяемые в ТД, или выводятся из точно сформулированных понятий теплоты и температуры, или заимствуются из других разделов физики, как, например, понятие работы.

Термодинамика 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 так называемых начал ТД. В основу термодинамики положены два основных закона, установленных опытным путем. Первое начало ТД характеризует количественную сторону процессов превращения энергии, а второе начало ТД устанавливает качественную сторону (направленность) процессов. Используя только эти два начала, методом строгой дедукции можно получить все основные выводы ТД.

Термодинамика справедлива для всех систем, для которых справедливы законы, лежащие в ее основе. Первое начало ТД имеет всеобщий характер. Что же касается второго начала, то оно основано на опыте, накопленном при наблюдении макросистем в пределах, доступных нашему непосредственному наблюдению.

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.

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. Приведем краткую хронологию развития ТД:

1824. Появилась статья французского инженера Сади Карно (1796 - 1832) "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу". В ней предложена конструкция теплового двигателя, который, по мнению автора, должен обладать максимальной эффективностью преобразования теплоты в полезную работу. В современном изложении: в идеальной тепловой машине все необратимости должны быть исключены.

1834. Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (Франция, 1799 - 1864) применил результаты Карно к равновесию жидкость-пар и вывел зависимость температуры насыщения (температуру кипения) от давления, названную позднее формулой Клапейрона – Клаузиуса. В работе «Мемуар о движущей силе тепла» он впервые применил диаграмму р-v для описания цикла Карно.

1840. Русским химиком Германом Ивановичем Гессом (1802-1850), независимо от закона сохранения энергии, был сформулирован закон о независимости теплового эффекта химических превращений в системе от пути протекания реакции (закон Гесса).

1842. Немецкий доктор медицины, корабельный врач Юлиус Роберт Майер (1814-1878) в работе «Замечания о силах неживой природы» сформулировал закон сохранения и превращения энергии с учетом внутренней энергии термодинамической системы, лежащий в основе современной формулировки первого начала ТД.

1842-1845. Джемс Прескот Джоуль (Англия, 1818 - 1889) экспериментально доказал энергетическую эквивалентность теплоты и работы, т.е. возможность измерения и сравнения их количеств в одних и тех же величинах. Тем самым обоснована формулировка первого начала ТД как невозможности создания вечного двигателя первого рода.

1848. Английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин, 1824-1907) ввёл абсолютную температурную шкалу, в которой за начало отсчёта температуры принимается абсолютный нуль, т.е. температура, при которой теоретически прекращаются все возможные виды движения частиц в теле.

1850. Рудольф Клаузиус (Германия, 1822 - 1888) опубликовал работу «О движущей силе теплоты и законах учения о теплоте, которые отсюда можно вывести», которая содержала предпосылки для формулирования второго начала ТД.

1851. На основе работ Карно, Джоуля и Клаузиуса В. Томсон сделал вывод о невозможности создания вечного двигателя второго рода, получившего название второго начала ТД.

1850-е. Вильям Джон Макуорн Ренкин (Шотландия, 1820-1872) усовершенствовал цикл Карно на влажном паре путем полной конденсации пара в конденсаторе (цикла Ренкина). Цикл Ренкина на перегретом паре является основным циклом теплосиловых установок в современной теплоэнергетике.

1957. Р. Клаузиус в работе «О природе движения, которое мы называем теплом» показал, что тепловая энергия есть кинетическая энергия движения молекул.

1860. Д.И. Менделеев (1834 - 1907) на основе исследования зависимости поверхностного натяжения жидкостей от температуры ввел понятие критической температуры и положил начало исследования критических явлений в двухфазных системах. Длившееся почти 50 лет опытное изучение Менделеевым растворов заложило основу и развило учение о растворенном состоянии вещества.

1865. Р. Клаузиус ввел в рассмотрение новую функцию состояния, названную энтропией, которая позволяет записать выражение для количества теплоты в виде, подобном записи выражения для работы, т.е. как произведение некоторого потенциала на изменение "координаты".

1876. Джозайя Виллард Гиббс (США, 1839 - 1903) в работе «Графические методы в ТД газов и жидкостей» впервые применил s-v и s-T диаграммыдля описания ТД процессов. В работе «О равновесии гетерогенных веществ» он вывел соотношение между числом фаз и степеней свободы в равновесных системах при любом числе компонентов, получившее название правила фаз Гиббса. В 1874-78 гг. создан метод термодинамических потенциалов – основа теории ТД.

1873. Голландский ученый Ян Дидерик ван-дер-Ваальс предложил уравнение состояния реальных газов (уравнение ван-дер-Ваальса), которое качественно верно описывает свойства сжатых газов и жидкостей, фазовые переходы и критические явления. Это уравнение сохраняет свое значение до настоящего времени.

1893. Русский физик Борис Борисович Голицын (князь Голицын) (1862-1916) в работе «О лучистой энергии» ввел понятие температуры равновесного излучения и заложил основу нового раздела термодинамики - термодинамики излучения. Во время мировой войны 1914-1918 гг. он создал Военно-метеорологическое управление, которое обслуживало нужды авиации, составляло климатологические карты для районов боевых действий, важные для борьбы с отравляющими газами.

1901. В развитие работ Голицына русским физиком Петром Николаевичем Лебедевым (1866-1912) в работе «Опытное исследование светового давления» (1901 г.) экспериментально подтверждено наличие светового давления на твердые тела и в 1909 г. – на газы. Эти исследования признаны шедевром экспериментального искусства. Из научной школы, созданной П.Н. Лебедевым в Московском университете, вышли П.П. Лазарев, В.К. Аркадьев, С.И. Вавилов, Т.П. Кравец, А.К. Тимирязев и др.

1906. Немецким химиком Вальтером Нернстом (1864-1948) в результате изучения свойств тел при низких температурах были получены данные, обобщенные в третьем начале ТД.

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, будем обращаться к молекулярно-кинетической теории для объяснения явлений и вычисления некоторых свойств веществ, значения которых, строго говоря, необходимо всегда брать из эксперимента.

Возникшая из практических задач совершенствования тепловых двигателей, термодинамика в настоящее время переросла свои первоначальные рамки; термодинамический метод оказался мощным инструментом исследования практически во всех областях естественных наук. Любая из научных дисциплин, претендующая на достоверность, 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, таких как техническая термодинамика, химическая термодинамика, термодинамика растворов и электролитов, неравновесная термодинамика, термодинамика излучения.

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 термодинамики, которые формулируются в виде утверждений о принципиальной невозможности построения вечных двигателей первого и второго рода, о которых будет идти речь ниже.