книги из ГПНТБ / Ферми Э. Термодинамика

ИЗДАТЕЛЬСТВО

ХАРЬКОВСКОГО

УНИВЕРСИТЕТА

ный трактат, всецело посвященный чистой термодинамике, тем не менее предполага­ ется, что читатель знаком с основными

кие ссылки на статистическое толкование термодинамики.

При написании этой книги автор исполь­ зовал записи своих лекций, сделанные док­ тором Ллойд Мотцем из Колумбийского университета, который, кроме того, про­ смотрел рукопись в окончательном виде.

ВВЕДЕНИЕ

Главное содержание термодинамики — это описание превра­ щения теплоты в механическую работу и, обратно, превращения механической работы в теплоту.

Только в сравнительно недавнее время физики обнаружили, что теплота является одной из форм энергии, которая может быть превращена в другие ее формы. Прежде ученые считали, что теплота является особым видом жидкости, общее количество которой остается неизменным. Нагревание тел и аналогичные процессы они объясняли переходом этой жидкости из одного тела

вдругое. На основании теории тепловой жидкости Карно сумел

в1824 году достигнуть сравнительно ясного понимания тех огра­

лентность теплоты и механической работы и первый сформулиро­ вал принцип сохранения энергии (первый закон термодинамики).

Теперь мы знаем, что истинное обоснование эквивалентности теплоты и динамической энергии следует искать в кинетическом толковании, которое сводит все термические явления к беспоря­ дочному движению атомов и молекул. С этой точки зрения изуче­ ние теплоты можно рассматривать как специальную отрасль меха­ ники: механики такого огромного числа частиц (атомов или моле­ кул), что детальное изучение их состояния и движения теряет смысл. Поэтому следует описывать лишь средние свойства огром­ ного числа частиц. Эта отрасль механики,называемая с т а т и с т и - ч е с к о й м е х а н и к о й , была развита главным образом рабо­ тами Максвелла, Больцмана и Гиббса и привела к вполне удовле­ творительному пониманию основных термодинамических законов.

Однако в чистой термодинамике подход к явлениям совсем иной. Здесь основные законы предлагаются как постулаты, осно­ ванные на экспериментальных доказательствах, и выводы из них делаются без рассмотрения кинетического механизма явлений. Этот способ имеет то преимущество, что он в значительной степе­ ни не зависит от упрощений, которые часто допускаются в стати­ стической механике. Таким образом, термодинамические резуль­ таты очень точны. Но иногда бывает довольно трудно получить результаты без детального рассмотрения действительного пове-

дения, поэтому во многих случаях удобно дополнить термодина­ мические результаты, по крайней мере, грубой кинетической интерпретацией.

Первый и второй законы термодинамики имеют свое статисти­ ческое обоснование в классической механике. В последние годы Нернст добавил третий закон, который может быть объяснен ста­ тистически только в терминах квантовой механики. В восьмой главе этой книги мы коснемся выводов из этого закона.

Г Л А В А I

Т Е Р М О Д И Н А М И Ч Е С К И Е С И С Т Е М Ы

1. СОСТОЯНИЕ СИСТЕМ И ПРЕВРАЩЕНИЯ В НИХ

В механике состояние системы в данный момент времени пол­ ностью определяется, если известны положение и скорость каждой из ее точечных масс. Для системы, состоящей из N точечных масс, необходимо знать 6N переменных.

В термодинамике вводится другое и более простое понятие со­ стояния системы. Действительно, использовать динамическое опреде­

либо специальным термометром (например, ртутным), зависит от индивидуальных свойств использованного в нем вещества. В данном случае условимся проводить все измерения температуры однотипными термометрами, чтобы результаты можно было сравнивать.

Геометрия нашей системы, очевидно, характеризуется не только объемом, но и формой. Однако большинство термодинамических свойств в значительной мере не зависит от формы, поэтому обычно объем является единственной заданной геометрической величиной. Только в тех случаях, когда отношение поверхности к объему очень велико (например, мелкозернистые вещества), следует также рас­ сматривать и поверхность.