Классическая термодинамика

Энергия является основным понятием этой теории, созданной во второй половине 19 века. Термин «энергия» в переводе с древнегреческого языка означает деятельный. Широкое распространение этого термина в языке науки связано с именем английского физика Уильям Томсона (1824-1907гг), больше известного под именем У.Кельвин, которым он стал именовать себя после присуждения ему титула барона за заслуги в развитии мировой науки. Он разработал абсолютную температуру, открыл ряд физических эффектов, носящих его имя, и исследовал проблему рассеяния (диссипации) энергии в связи с изучением вопросов устройства Вселенной на энергетическом уровне.

Классическая термодинамика придала понятию энергии конкретный физический смысл. Энергия термодинамической системы рассматривается здесь как энергетическое состояние, которое образуется из энергии всех составляющих её элементов.

Тепло и работа в этой теории понимаются как формы передачи и обмена энергией, а не самой энергией: тепло – хаотическое движение элементов термодинамической системы, работа – направленный процесс упорядочения элементов системы. Для того, чтобы изменить внутреннюю энергию термодинамической системы, нужно подвести к ней тепло или совершить над ней работу с помощью внешних сил.

Все термодинамические системы делятся на закрытые (изолированные) и открытые. Закрытые системы не обмениваются энергией с окружающей средой. Открытые системы не изолированы от окружающей среды. Например, клетка в многоклеточных организмах как термодинамическая система является, с одной стороны, изолированной системой относительно параметров поддержания её целостного строения и, с другой – открытой, поскольку она обменивается энергией с другими клетками организма. Все термодинамические системы могут находиться в трёх состояниях: стационарном, равновесном и неравновесном.

Стационарное состояние означает, что параметры системы не меняются во времени. Равновесное состояние имеет место, когда термодинамические параметры имеют одинаковое значение для всех элементов системы. Неравновесное состояние означает, что значение исследуемых параметров распределено неравномерно между элементами системы.

Макроскопическими называются тела, состоящие независимо от их агрегатного состояния из очень большого числа частиц. В этих условиях невозможно подсчитать характеристики всех элементарных частиц, из которых состоят макротела. Поведение огромного числа частиц изучается статистикой. В данном случае нас интересуют средние величины. На их основе выясняется смысл тех или иных макроскопических параметров. Так в равновесных условиях температура (Т) пропорциональна средней кинетической энергии частиц тела.

Внутренняя энергия (U) представляет собой сумму кинетических и потенциальных энергий тех частиц, из которых состоит тело. Количество теплоты (Q) есть энергия тех частиц, которые либо испускаются, либо поглощаются телом. Работа (А) - мера действия силы. Энтропия (S) пропорциональна числу микросостояний, реализующих данное макросостояние. Чем больше это число, тем выше вероятность достижения именно этого состояния. Энергия в замкнутых состояниях - сохраняющаяся величина. Закон сохранения энергии выполняется для любых физических процессов. Для макропроцессов закон сохранения энергии выглядит наиболее просто, ибо при анализе не учитывается соотношение неопределенности: ΔE∙Δt≥ħ. Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а лишь переходит из одного состояния в другое.

Актуальное значение имеет для человека закон сохранения энергии для термодинамических систем, важнейшими параметрами которых являются: количество теплоты (Q), внутренняя энергия (U), работа (А), температура (Т), энтропия (S).

Закон сохранения энергии для любых термодинамических систем называется 1-м началом термодинамики и записывается так:

ΔQ=ΔU+ΔA.

Сообщаемое термодинамической системе количество теплоты расходуется частично на повышение внутренней энергии тела (оно нагревается) и на совершение работы. Из первого начала термодинамики следует, что ΔA=ΔQ+(−ΔU), т.е. работу можно совершить лишь за счет подведения теплоты (ΔQ) и уменьшения внутренней энергии (перед ΔU стоит знак минус). Невозможно построить так называемый двигатель первого рода, который совершал бы работу без подвода энергии.

«Вечный двигатель» первого рода – это периодически действующая машина, имеющая неиссякаемую внутреннюю энергию, которую можно использовать в виде механического движения рабочего тела (механизма) во внешней среде.

Второй закон был сформулирован Клаузиусом:

«Теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого к более нагретому телу». В формулировке У. Кельвина: невозможно создать периодически действующую машину, единственным результатом которой было бы поднятие груза за счет охлаждения теплового резервуара.

Для уточнения физического содержания второго закона термодинамики Клаузиус ввел понятие энтропии. Энтропия в переводе с латинского языка означает поворот, превращение. Энтропия выражала у Клаузиуса меру неупорядоченности изолированной термодинамической системы, т.е. переход подобной системы со временем к состоянию хаотического движения составляющих ее элементов. Энтропийный процесс означает, что любая термодинамическая система, изолированная от внешней среды, переходит со временем от упорядоченного, структурного энергетического состояния к неупорядоченному, хаотическому движению составных её элементов.

Сообщение телу количества теплоты (ΔQ) приводит к его нагреванию, возникает неравновесное состояние: температура тела больше, чем температура окружающей среды. Система переходит из неравновесного состояния в равновесное. Простейшим примером является самопроизвольный переход теплоты от горячих тел к холодным. Самопроизвольный переход термодинамической системы из неравновесного состояния в равновесное является необратимым процессом, он идет только в одном направлении. Обобщая свои исследования по термодинамическим система Клаузиус высказал следующие положения: энергия мира постоянна; энтропия мира стремится к максимуму. Это также формулировка второго начала термодинамики:

ΔS≥0,

где ΔS- изменение энтропии. При переходе из неравновесного состояния в равновесное энтропия увеличивается (ΔS>0), в равновесном состоянии энтропия неизменна (ΔS=0).

Закон возрастания энтропии выражает необходимость перехода системы в наиболее вероятное состояние, для которого характерна максимальная степень упорядоченности. Маловероятно, что горячее и холодное тела, находящиеся в контакте, сохранят именно это состояние. Более вероятно, что произойдет выравнивание температур. Из-за второго начала термодинамики работа теплового двигателя приводит к нагреванию окружающей среды. Сообщаемое рабочему телу двигателя количество теплоты (ΔQ) частично рассеивается. Это значит, что невозможно построить вечный двигатель второго рода, т. е двигатель который переводил бы в работу все количество теплоты, сообщаемое его рабочему телу. Исходя из второго начала термодинамики, Клаузиус в 1865г. пришел к выводу: все виды энергии во Вселенной перейдут в тепловую и равномерно распределятся по всей Вселенной. Но Вселенная нестационарна, в ней образуются упорядоченные структуры типа звезд, Галактик и планетных систем.

КОНЦЕПЦИИ ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ И БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ.

Сразу после открытия Ньютоном закона всемирного тяготения, а затем примерно через 100 лет и закона Кулона, описывающего взаимодействие заряженных тел, возникли вопросы, в большей степени философского содержания: почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на расстояниях, даже на огромных, через пустое пространство, и почему заряженные тела взаимодействуют даже через электрически нейтральную среду? До введения понятия «поле» не было ответа на эти вопросы. Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участие в данном процессе. Передача взаимодействия происходит мгновенно. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия, основоположником которой является французский математик, физик и философ Рене Декарт. Концепция дальнодействия допускает действие вне времени и пространства. Этой концепции многие ученые придерживались до конца 19 века.

Благодаря открытиям Фарадея, Максвелла, Герца, Попова было показано, что материя существует не только в виде вещества, но и в виде поля. Признание реальности электромагнитного поля означало победу в физике концепции близкодействия над общепринятой в 19 в. концепции дальнодействия.

Концепция близкодействия утверждает, что любое воздействие на материальные объекты может быть передано лишь от данной точки пространства к ближайшей соседней точке за конечный промежуток времени. В теории электромагнетизма Максвелла было доказано, что взаимодействие заряженных тел осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью, равной скорости света в пустоте – 300000 км/с. Таким образом, выработка концепции физического поля способствовало упрочению концепции близкодействия, которая распространяется не только на электромагнитное, но и на другие типы взаимодействий.

Дальнодействие и близкодействие – две противоположные концепции, призванные объяснить общий характер взаимодействия физических объектов.