19. Основные понятия термодинамики. Первое и второе начало термодинамики.

Термодина́мика (греч. θέρμη — «тепло», δύναμις — «сила») — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а также теплотехника.

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 — давление, температура, объём, …, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

В теоретической физике наряду с феноменологической термодинамикой, изучающей феноменологию тепловых процессов, выделяют термодинамику статистическую, которая была создана для механического обоснования термодинамики и была одним из первых разделов статистической физики.

Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл, т.е. в конечном счете возвращается в исходное состояние, то полное количество тепла, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершенной ею работе. Количественная формулировка первого начала термодинамики: количество тепла dQ, сообщенное телу идет на увеличение его внутренней энергии dU и на совершение телом работы dA, т.е. dQ=dU+dA

Первое начало выражает собой по существу выражение Закона сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Многочисленные опыты показывают, что все тепловые процессы необратимы в отличие от механического движения. Если реализуется какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором проходят те же тепловые состояния, но только в обратном порядке, практически невозможен, т.е. термодинамические процессы необратимы.

Второе начало термодинамики утверждает, что теплота не может самопроизвольно перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой. С.Карно в 1824 г. Показал, что любая тепловая машина должна содержать помимо источника теплоты (нагревателя) и рабочего тела, совершающего термодинамический цикл (например, пара), еще и холодильник, имеющий температуру более низкую, чем температура нагревателя. Обобщение вывода Карно на произвольные термодинамические системы и позволило Р.Клаузиусу сформулировать в 1850 г. Указанное Второе начало. В формулировке английского физика В.Томсона (1851) Второе начало утверждает, что невозможно произвести механическую работу за счет охлаждения одного теплового резервуара. Обе приведенные формулировки Второго начала, являясь эквивалентными, подчеркивают существенное различие в возможностях реализации энергии, полученной за счет внешних источников и энергии беспорядочного (теплового) движения частиц тела.

Возможность использования энергии теплового движения частиц тела (теплового резервуара) для получения механической работы означала бы реализацию так называемого вечного двигателя 2-го рода, работа которого не противоречила бы Закону сохранения энергии.