Литература к главе 4

естествознания: Учебник. – М.: ИКЦ «Маркетинг», Новосибирск: ООО «Издательство «ЮКЭА», 2001. – 832 с.

2.Савельев И.В. Курс общей физики: Том 1. – М.:

Наука, 1977. – 416 с.

3.Сонин А.С. Постижение совершенства: (Симметрия, асимметрия, диссимметрия, антисимметрия). – М.: Знание, 1987. – 208 с.

4.Урманцев Ю.А. Симметрия природы и природа симметрии. – М.: Мысль, 1974. – 229 с.

5.Физический энциклопедический словарь / Гл. редактор А.М.Прохоров. – М.: Сов. энциклопедия, 1983. – 928 с.

Г Л А В А 5

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ И СТАТИСТИЧЕСКИЙ

МЕТОДЫ АНАЛИЗА СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ

Термодинамика, являющаяся одним из разделов физики, возникла в первой половине XIX века как теоретическая основа начавшей развиваться в то время теплотехники. В своей основе термодинамика – это наука о температуре, теплоте и о превращениях теплоты и работы друг в друга. Термин «термодинамика» впервые в 1854 году ввёл У.Томсон, который это слово писал как «термо-динамика», что в переводе означает «теплотаработа». Термодинамика изучает закономерности теплового движения в равновесных системах и медленные процессы, которые могут рассматриваться как квазиравновесные (как бы равновесные, т. е. сколь угодно близкие к равновесным) состояния, непрерывно следующие друг за другом (классическая или равновесная термодинамика), а также обобщает эти закономерности на неравновесные системы (неравновесная термодинамика или термодинамика необратимых процессов). Рассмотрим основные законы термодинамики.

5.1. Уравнение состояния. Нулевое начало термодинамики

Законы термодинамики описывают поведение так называемых макроскопических систем, т. е. тел (твёрдых, жидких или газообразных), состоящих из большого числа

частиц. Равновесное состояние макроскопической системы полностью характеризуется небольшим числом физических параметров. Состояние однородных тел полностью фиксируется заданием любых двух из трёх величин: давления p , объёма V и температуры T . Связь между p ,

V и T характерна для каждого твердого тела, жидкости или газа, она называется уравнением состояния. Например, для идеального газа массы m уравнением состояния является уравнение Клапейрона – Менделеева

pV = νRT ,

В основе термодинамики лежат фундаментальные законы (начала), которые являются обобщением многочисленных наблюдений и выполняются независимо от конкретной природы образующих систему тел. Поэтому закономерности в соотношениях между физическими величинами, к которым приводит термодинамика, носят универсальный характер. Обоснование законов термодинамики, их связь с законами движения частиц, из которых построены тела, даётся статистической физикой, задачей которой является выражение свойств макроскопических тел, т. е. систем, состоящих из большого количества частиц (молекул, атомов, электронов и т. п.), через свойства этих частиц и взаимодействие между ними.

Необходимым условием термодинамического равновесия в системе является равенство значений

температуры для всех частей системы. Существование температуры – параметра, единого для всех частей системы, находящейся в термодинамическом равновесии, иногда называют нулевым началом термодинамики.

5.2. Первое начало термодинамики

Всякая термодинамическая система состоит из огромного количества частиц. Энергия этих непрерывно движущихся и взаимодействующих между собой частиц называется внутренней энергией системы, причем энергия движения системы как целого и потенциальная энергия системы в поле внешних сил во внутреннюю энергию не входят. Существуют два принципиально различающихся способа изменения внутренней энергии системы: первый связан с работой системы по перемещению окружающих тел (или работой этих тел над системой), второй – с сообщением системе теплоты (или с отводом её) при неизменном расположении окружающих тел (или с работой на микро уровне, совершаемой молекулами одного тела над молекулами другого тела при их соприкосновении).

Первое начало термодинамики утверждает, что количество теплоты (тепла) dQ , сообщённое системе, идёт

на увеличение её внутренней энергии dU и на совершение системой работы dA , т. е.

т. е. в конечном счёте возвращается в исходное состояние, то изменения внутренней энергии не произойдёт и полное

количество тепла, сообщенное системе на протяжении цикла, будет равно совершённой ею работе.

Первое начало термодинамики представляет собой по существу закон сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Это утверждение эквивалентно утверждению о невозможности создания вечного двигателя 1-го рода. Вечный двигатель 1- го рода – это такая машина, которая, будучи однажды запущена в ход, способна работать неопределённо долго и совершать полезную работу, не потребляя энергии извне. Поскольку ни при каком преобразовании энергии нельзя увеличить её количество, а полезная работа в этом случае может совершаться, только расходуя внутреннюю энергию системы, то отсюда и следует невозможность создания такого двигателя.

Первое начало термодинамики позволяет определить энергетический баланс любого процесса, но не указывает на направление протекания этого процесса.

Многочисленные опыты показывают, что в отличие от механического движения все тепловые процессы необратимы. Это означает, что, если реализуется какойлибо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором система проходит те же термодинамические состояния, но в обратном порядке, практически невозможен. Однако, если создать условия, при которых система будет переходить из состояния 1 в состояние 2 бесконечно медленно через последовательность квазиравновесных (почти равновесных) состояний, то такой квазистатический процесс можно считать обратимым. В этом случае при обратном квазистатическом процессе