Статистична фізика

В другій половині XIX-го століття почало виникати розуміння атомарної будови речовини. Якщо досі термодинаміка використовувала в основному феноменологічний підхід, то поняття атома дозволило зрозуміти термодинамічні закони на молекулярному рівні. Новий розділ фізики - статистичну фізику започаткували Джеймс Клерк Максвел,Джозая Ґібс та Людвіг Больцман. Больцману, зокрема, належить формула, яка зв'язує термодинамічну ентропію із кількістю можливих мікроскопічних станів у системі, яка стала основою для нової теорії.

На основі статистичного атомарного підходу нову інтерпретацію отримало поняття температури, як міри теплового руху атомів та молекул.

Третій закон термодинаміки

З розвитком кріогенної техніки на початку XX століття виникла можливість досліджувати властивості речовин при дуже низьких температурах. Це дозволило сформулюватитретій закон термодинаміки - твердження про те, що ентропія однокомпонентних речовин прямує до нуля при зменшенні температури до абсолютного нуля.

Процеси нерівноважної термодинаміки

Рівноважна термодинаміка стала довершеною наукою на початку XX століття. Сучасні дослідження зосереджені в основному на властивостях нерівноважних та відкритих систем, вивченні процесів переносу, релаксації, самоорганізації.

Основні поняття термодинаміки

Об'єктом дослідження термодинаміки є термодинамічна система - сукупність тіл, які взаємодіють між собою та оточенням. Термодинамічна система називається закритоюабо 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 еспериментально 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 відбутис

Перший закон термодинаміки

Перший закон термодинаміки стверджує, що надана термодинамічній системі кількість теплоти дорівнює сумі роботи, виконаній системою над зовнішніми тілами, та змінівнутрішньої енергії системи:

,

де Q - кількість теплоти,  , A - робота.

Встановлений експериментально перший закон термодинаміки є термодинамічним формулюванням закону збереження енергії. Він означає неможливість побудови вічного двигуна першого роду.