8.2. Нулевое (общее) начало термодинамики

До тридцатых годов ХХ века начал термодинамики было три. В 1931 году, когда приступили к исследованию неравновесных систем, потребовалось более строгое определение температуры. Развернулась широкая дискуссия об основах термодинамики, в результате которой было достигнуто понимание, что стремление к равновесию замкнутой системы само по себе является основополагающим принципом термодинамики. Таким образом, было сформулировано четвёртое начало. Поскольку фактически пользоваться им стали гораздо раньше, чем возникла даже классическая механика, то английский физик-теоретик Р.Г. Фаулер предложил присвоить ему номер меньший, чем первый – нулевой.

Таким образом, закончилась почти столетняя история открытия законов термодинамики:

Второе начало (С. Карно, У. Томсон, Р. Клаузиус) – 1824 г.

Первое (Ю.Р. Майер, Дж. Джоуль, Г. Гельмгольц) – 1842 г.

Третье (В. Нернст) – 1906 г.

Нулевое (по общему соглашению) – 1931 г.

Формулировка постулата

Если макроскопические системы привести в непосредственный контакт и изолировать от внешней среды, то они по истечении времени придут к термодинамическому равновесию. Это равновесие не нарушится, если устранить контакт между системами, а затем через некоторое время восстановить его.

Свойство транзитивности термодинамического равновесия

Термодинамическое равновесие обладает свойством транзитивности:

если системы и находятся в термодинамическом равновесии и системы и находятся в термодинамическом равновесии, то системы и также находятся в термодинамическом равновесии между собой.

Информационное содержание постулата

• Достигнув состояния термодинамического равновесия, изолированная система никогда самопроизвольно выйти из него не может.

• Существует некоторый макроскопический параметр, значения которого при тепловом контакте различных тел в результате обмена энергии становятся для них одинаковыми. Эта величина, выражающая состояние внутреннего движения равновесной системы, называется температурой.

• Свойство транзитивности состояний теплового равновесия позволяет сравнивать значения температуры у разных систем, не приводя их в непосредственный контакт между собой, а пользуясь каким-то другим телом.

• Из положения о существовании температуры следует, что все равновесные внутренние параметры системы являются функциями внешних параметров и температуры.

Фундаментальное и прикладное значение постулата

Общее начало является основой всей термодинамики и определяет границы ее применимости. Термодинамика не применима к системам с малым числом частиц, в которых существенны флуктуации, а также к системам галактических размеров, где важное значение имеет гравитация. Для таких объектов нулевое начало не выполняется.

Нулевое начало обеспечивает полноту системы постулатов макроскопической теории. Оно является надёжным обоснованием процедуры измерения температуры с помощью термометра.