Термодинамика

20 November 2019

Термодинамика, наука о взаимосвязи между теплом, работой, температурой и т.д.

Термодинамика

Официально тепло не признавалось формой энергии до 1798 года, когда граф Рамфорд (Сади Карно, который в 1824 году ввел концепцию тепломоторного цикла и принцип обратимости. Работы Карно касались ограничений на максимальный объем работы, который может быть получен из парового двигателя, работающего с высокотемпературным Рудольфом Клаузиусом, немецким математиком и физиком, в первом и втором законах термодинамики, соответственно.

Наиболее важные законы термодинамики таковы:

  1. Нулевой закон термодинамики. Когда две системы находятся в тепловом равновесии с третьей системой, первые две системы находятся в тепловом равновесии друг с другом. Это свойство делает значимым использование термометров в качестве "третьей системы" и определение шкалы температуры.
  2. Первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии. Изменение внутренней энергии системы равно разнице между тепловой энергией, добавляемой в систему из окружающей среды, и работой, выполняемой системой на окружающей среде.
  3. Второй закон термодинамики. Тепло не течет спонтанно из более холодной области в более горячую, или, соответственно, тепло при заданной температуре не может быть полностью преобразовано в работу. Следовательно, энтропия закрытой системы, или тепловая энергия на единицу температуры, со временем увеличивается до некоторого максимального значения. Таким образом, все закрытые системы стремятся к равновесному состоянию, в котором энтропия находится на максимуме, а энергия недоступна для выполнения полезной работы. Эта асимметрия между прямыми и обратными процессами приводит к тому, что называется "стрелкой времени".
  4. Третий закон термодинамики. Энтропия совершенного кристалла элемента в его наиболее стабильной форме стремится к нулю, когда температура приближается к абсолютному нулю. Это позволяет установить абсолютную шкалу энтропии, которая с статистической точки зрения определяет степень случайности или расстройства в системе.

Хотя термодинамика быстро развивалась в течение 19 века в ответ на необходимость оптимизации работы паровых двигателей, широкое распространение законов термодинамики делает их применимыми ко всем физическим и биологическим системам. В частности, законы термодинамики дают полное описание всех изменений в энергетическом состоянии любой системы и ее способности выполнять полезную работу на ее окружении.

В данной статье рассматривается классическая термодинамика, не затрагивающая отдельные атомы или молекулы. Они находятся в центре внимания термодинамики, известной как статистическая термодинамика, или статистическая механика, которая выражает макроскопические термодинамические свойства в терминах поведения отдельных частиц и их взаимодействия. Она берет свое начало во второй половине 19 века, когда стали общепринятыми атомные и молекулярные теории материи.

Термодинамика

Основные понятия

Термодинамические состояния

Применение термодинамических принципов начинается с определения системы, которая в некотором смысле отличается от окружающей среды. Например, система может быть образцом газа внутри цилиндра с подвижным поршнем, целым паровым двигателем, марафонским бегуном, планетой Земля, нейтронной звездой, черной дырой или даже всей вселенной. В целом, системы свободно обмениваются теплом, работой и другими видами энергии со своим окружением.

Термодинамическое равновесие

Особенно важной концепцией является термодинамическое равновесие, в котором нет тенденции к спонтанному изменению состояния системы. Например, газ в баллоне с подвижным поршнем будет находиться в равновесии, если температура и давление внутри будут равномерными и, если удерживающая сила на поршне будет достаточной только для того, чтобы он не двигался. В этом случае система может быть приведена в новое состояние только путем изменения одной из функций состояния, навязанной извне, например, температуры путем добавления тепла или объема путем перемещения поршня. Последовательность одного или нескольких таких шагов, соединяющих различные состояния системы, называется процессом. В целом, система не находится в равновесии, поскольку она приспосабливается к резким изменениям в окружающей среде.

Температура

Концепция температуры является фундаментальной для любого обсуждения термодинамики, но ее точное определение не является простым делом. Например, стальной стержень чувствует себя холоднее, чем деревянный при комнатной температуре, просто потому, что сталь лучше отводит тепло от кожи. Поэтому необходимо иметь объективный способ измерения температуры. Как правило, когда два объекта находятся в тепловом контакте, тепло будет течь между ними, пока они не придут в равновесие друг с другом. Когда поток тепла останавливается, говорят, что он находится при той же температуре. Нулевой закон термодинамики формализует это, утверждая, что если объект А находится в тепловом равновесии одновременно с двумя другими объектами В и С, то при вступлении в тепловой контакт B и С будут находиться в тепловом равновесии друг с другом. Объект A может затем играть роль термометра через некоторые изменения в его физических свойствах с температурой, таких как его объем или электрическое сопротивление.

Работа и энергия

Энергия имеет точное значение в физике, которое не всегда соответствует повседневному языку, но точное определение этого понятия труднодостижимо. Например, человек, толкающий машину, может почувствовать, что он делает много работы, но на самом деле ничего не делается, если только машина не двигается. Сделанная работа является результатом силы, приложенной человеком, умноженной на расстояние, через которое автомобиль движется. Если трение отсутствует и поверхность ровная, то при запуске автомобиль будет продолжать движение с постоянной скоростью бесконечно долго. У прокатного вагона есть то, чего нет у неподвижного вагона - у него кинетическая энергия движения равна работе, необходимой для достижения такого состояния движения. Внедрение концепции энергии таким образом имеет большое значение в механике, поскольку при отсутствии трения энергия никогда не теряется из системы, хотя и может быть преобразована из одной формы в другую.

Общая внутренняя энергия

Хотя классическая термодинамика касается исключительно макроскопических свойств материалов - таких как температура, давление и объемно-термическая энергия от добавления тепла - на микроскопическом уровне можно понимать, как увеличивается кинетическая энергия движения составляющих вещество молекул. Например, молекулы газа обладают трансляционной кинетической энергией, пропорциональной температуре газа: молекулы могут вращаться вокруг центра своей массы, а составляющие их атомы могут колебаться по отношению друг к другу (как массы, связанные пружинами). Кроме того, химическая энергия накапливается в связях, удерживающих молекулы вместе, и более слабые долгосрочные взаимодействия между молекулами требуют еще больше энергии. Суммарная сумма всех этих форм энергии составляет общую внутреннюю энергию вещества в заданном термодинамическом состоянии. Общая энергия системы включает ее внутреннюю энергию плюс любые другие формы энергии, такие как кинетическая энергия в результате движения всей системы в целом (например, вода, текущая по трубе) и энергия гравитационного потенциала в связи с ее подъемом.