1.Термодинаміка

Термодинáміка — розділ теоретичної фізики, що стосується законів явищ поширення та збереження тепла. Розрізняють феноменологічну та статистичну термодинаміки. Остання в свою чергу поділяється на класичну й квантову.

Термодинаміка вивчає процеси, які відбуваються в тілах, що перебувають у тепловій рівновазі з іншими тілами. Важливою характеристикою теплової рівноваги є температура. Рівняння стану пов'язує між собою такі характеристики тіл, як тиск, об'єм та температуру.

Зміни термодинамічного стану фізичних систем вивчаються при рогзляді термодинамічних процесів.

Термодинаміка вводить феноменологічно таке поняття, як ентропія.

Термодинаміка була створена завдяки потребі побудови теоретичного підґрунтя для опису роботи теплових двигунів.

Основним законом термодинаміки є так званий перший закон термодинаміки — формулювання закону збереження енергії. Другий закон термодинаміки встановлює неможливість повного перетворення теплоти в механічну роботу.

1.2. Історія термодинаміки

Термодинаміка виникла в зв'язку з практичними потребами людства. Наприкінці XVIII століття в Англії розпочалася промислова революція, одним із чинників якої був винахід парового двигуна. Завдяки цьому винаходу людство навчилося перетворювати тепло у механічну роботу. Виникла необхідність розуміння та кількісного опису процесів, які при цьому відбуваються.

1.3. Основні поняття термодинаміки

Об'єктом дослідження термодинаміки є термодинамічна система — сукупність тіл, які взаємодіють між собою та оточенням. Термодинамічна система називаєтьсязакритою або відкритою, в залежності від того, чи вона може обмінюватися речовиною з навколишніми тілами. Якщо система не може обмінюватися з навколишніми тілами ні речовиною, ні енергією, то вона називається ізольованою.

Рівноважна термодинаміка вивчає термодинамічні системи в стані термодинамічної рівноваги. В такому стані систему можна охарактеризувати параметром, який називається температурою. В рівноважному стані температура однакова для усіх частин термодинамічної системи, а у випадку неізольованої термодинамічної системи вона збігається з температурою навколишніх тіл, які в термодинаміці називають термостатом. Існування рівноважного стану часто називають нульовим законом термодинаміки.

Кожна рівноважна термодинамічна система характеризується набором термодинамічних змінних (параметрів): об'ємом, тиском, хімічним складом, температурою, ентропією, хімічними потенціалами та іншими. Не всі з цих параметрів є незалежними. В рівноважному стані їхні значення зв'язані між собою рівняннями стану. Якщо термодинамічну систему помістити в зовнішнє поле, наприклад, електричне, то термодинамічними параметрами стають також величина прикладеного поля і відклик системи на це поле, у випадку електричного поля — напруженість електричного поля і електрична індукція.

Рівняння стану визначається експериментально для реальних систем або розраховується за допомогою методів статистичної фізики для модельних систем. Зазвичай рівняння стану демонструють за допомогою діаграм, на яких можливі стани системи задаються лінією на площині двох незалежних параметрів при фіксованому значенні всіх інших параметрів. Найпопулярніші з таких діаграм PV-діаграми, в яких незалежними параметрами є тиск та об'єм. Водночас такі криві є графіками певнихтермодинамічних процесів.

Рівноважна термодинаміка розглядає тільки зворотні процеси, які відбуваються достатньо повільно, щоб стан термодинамічної системи можна було б вважати рівноважним у будь-який момент часу. При ізотермічному процесі система встигає встановити теплову рівновагу з термостатом, який задає температуру. При цьому система або отримує тепло від термостата або віддає його термостату. Навпаки, при адіабатичному процесі система теплоізольована. Такий процес відбувається достатньо швидко, щоб обмін теплом між термодинамічною системою та оточенням не встиг відбутися.