2. Основи термодинаміки

Термодинамика – раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называются термодинамическими системами. В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами – давлением, температурой, объёмом, …, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

Современную феноменологическую термодинамику принято делить на равновесную (термодинамику равновесных процессов, она же термодинамика квазистатических процессов, она же классическая термодинамика) и неравновесную (термодинамику неравновесных процессов, она же термодинамика необратимых процессов).

Равновесная термодинамика вводит в рассмотрение переменные, такие как внутренняя энергия, температура, энтропия, химический потенциал, а также комбинации перечисленных величин. Все они носят название термодинамических параметров (величин). Предметом рассмотрения классической термодинамики служат связи термодинамических параметров друг с другом и с физическими переменными, вводимыми в рассмотрение в других разделах физики (масса, давление, поверхностное натяжение, сила тока и т. д.). Химические и фазовые реакции (фазовые переходы первого рода) также есть предмет изучения классической термодинамики, поскольку в этом случае рассматриваются связи между массами компонентов системы и их химическими потенциалами. Классическая термодинамика рассматривает такие относительно медленно протекающие (квазистатические) процессы, для которых в каждый данный момент времени систему можно считать находящейся в состоянии термодинамического равновесия (равновесные процессы). Процесс можно считать квазистатическим, если время его протекания много больше времени релаксации рассматриваемой системы.

В неравновесной термодинамике переменные рассматриваются как локальные не только в пространстве, но и во времени, т. е. в её формулы время может входить в явном виде.

2.1. Внутренняя энергия идеального газа

Внутренняя энергия идеального газа равна суммарной кинетической энергии всех молекул, составляющих систему (напомним, что потенциальной энергией взаимодействия молекул идеального газа пренебрегают),

,

где - средняя кинетическая энергия одной молекулы, N - число молекул в системе, i – число степеней свободы. Число молекул N может быть найдено из формулы (1.8),

,

где m - масса газа, μ - молярная масса, N_A - число Авогадро.

Следовательно, внутренняя энергия идеального газа равна

.

Учтем, что - газовая постоянная. Тогда внутренняя энергия идеального газа равна

(2.1)

Изменение внутренней энергии зависит от изменения температуры, т. е.

(2.2)

В дифференциальной форме эта формула запишется следующим образом

(2.3)

Внутренняя энергия системы может измениться за счет двух различных процессов: 1). Совершения над системой работы A^/ и 2). Сообщения количества теплоты . Заметим, что работа, совершаемая над системой внешними силами, и работа, совершаемая системой против внешних сил, равны по величине и противоположны по знаку A^/ = - A.