ТЕРМОДИНАМИКА

Слово термодинамика состоит из двух греческих слов: «терме» — «теплота» и «дина-мис» — «сила». Термодинамика возникла как наука о процессах, происходящих в тепловых машинах: паровых котлах, двигателях внутреннего сгорания и т. д., т. е. как наука о превращении тепла в механическое движение, в работу. И до сих пор один из ее разделов занимается изучением этих вопросов, только это уже и теория реактивных двигателей, и ядерных реакторов, и многое другое.

В процессе своего развития термодинамика необычайно расширилась и приобрела характер фундаментальной физической науки. Ныне объектом ее исследования являются практически любые процессы превращения материи, связанные с выделением или поглощением энергии, совершением работы, переносом вещества и т. п. Термодинамика изучает процессы расширения и сжатия, нагрева и охлаждения, плавления и затвердевания, испарения и конденсации, химические реакции, тепловое излучение и т. д.

По отношению ко всем этим процессам термодинамика отвечает на три главных вопроса:

1) Возможен ли данный процесс при данных условиях?

2) Если процесс возможен, то в каком направлении (тоже, конечно, при данных условиях) он пойдет?

3) Чем процесс закончится? Это окончательное, не зависящее уже от времени состояние термодинамика называет состоянием теплового равновесия.

На эти вопросы термодинамика отвечает с помощью трех законов, составляющих ее основное содержание.

Первый закон термодинамики утверждает, что всякое тело обладает внутренней энергией (У, причем внутренняя энергия может уменьшиться, если тело совершает работу Л, и увеличиться, если ему сообщают теплоту Q.

∆U = Q — А.

Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии. Из него, в частности, следует, что если внутренняя энергия тела постоянна ∆U = 0 и тело не получает и не отдает тепла Q = 0, то оно не может совершать работу: А = 0. Таким образом, нельзя получить работу из ничего или превратить ее ни во что. Устройство или машину, получающую работу из ничего, называют вечным двигателем первого рода. Первый закон термодинамики отвергает вечный двигатель первого рода.

Установление этого закона в основном связано с именами немецкого врача Ю. Майера, который около 1842 г. впервые пришел к идее о возможности взаимного превращения тепла и работы, английского физика Дж. Джоуля, который в 1843 г. первым вычислил механический эквивалент теплоты, и немецкого ученого Г. Гельмгольца, сформулировавшего в 1847 г. первый закон и понявшего его всеобщий смысл как закона сохранения энергии.

Идея второго закона термодинамики связана с именем французского инженера С. Карно, который в 1824 г. разработал цикл Карно — круговой процесс в тепловой машине, в результате которого тело, совершив работу, затем возвращается в исходное состояние, используя часть этой работы. Он впервые показал, что полезную работу можно получить лишь в случае, когда тепло передается от нагретого тела к более холодному.

Развивая идеи Карно, английский физик У. Томсон в 1851 г. сформулировал второй закон: «В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, полученная за счет охлаждения теплового резервуара». Эта формулировка показывает, что взаимное превращение тепла и работы неравноценно: работу можно полностью превратить в тепло (путем трения, нагрева электрическим током и другими способами), а тепло полностью превратить в работу нельзя. Машину, многократно и полностью превращающую тепло в работу, называют вечным двигателем второго рода. Второй закон отвергает вечный двигатель второго рода.

Независимо от У. Томсона формулировку второго закона в 1850 г. дал немецкий физик Р. Клаузиус: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему». Эта формулировка подчеркивает односторонность реальных процессов. Действительно, первый закон термодинамики не запрещает указанный переход тепла (лишь бы выполнялся закон сохранения энергии), однако этого никогда не происходит. Мы знаем много других примеров односторонности процессов: газы перемешиваются в сосуде, но сами не разделяются; кусок сахара растворяется в воде, но не выделяется обратно в виде куска; можно нагреть проволоку от аккумулятора, но нельзя (к огорчению автомобилистов!) зарядить аккумулятор от нагретой проволоки и т. д.

Клаузиус решил вопрос о направлении самопроизвольных процессов в 1865 г., когда ввел новую функцию — энтропию, установив ее важнейшую особенность: в теплоизолированных системах самопроизвольно процессы идут в сторону увеличения энтропии; в состоянии теплового равновесия энтропия достигает максимума. Эта функция является мерой беспорядка в системе; таким образом, самопроизвольные процессы идут в сторону увеличения беспорядка.

Возможность расчета абсолютной величины энтропии связана с именем немецкого физико-химика В. Нернста. В 1906 г. он установил, что, когда температура стремится к абсолютному нулю, изменение энтропии, связанное с любым превращением, также стремится к нулю. Позднее было показано, что и абсолютное значение энтропии простых кристаллических тел стремится к нулю при Т → 0. Это третий закон термодинамики.

Вводя внутреннюю энергию, энтропию и другие функции, термодинамика не интересуется их природой и не связывает их с устройством тел, с тем, из каких частиц тела состоят, какими свойствами эти частицы обладают, как они взаимодействуют между собой. В ней основные законы вводятся как постулаты, являющиеся обобщением многовекового опыта человечества. Поэтому они оказываются справедливыми для любых процессов и для любых веществ: твердых, жидких, газообразных, плазмы, металлов, полупроводников, диэлектриков и т. д. А. Эйнштейн писал: «Теория оказывается тем более впечатляющей, чем проще ее предпосылки, чем значительнее разнообразие охватываемых ею явлений и чем шире область ее применимости. Именно поэтому классическая термодинамика производит на меня очень глубокое впечатление. Это — единственная общая физическая теория, и я убежден, что в рамках применимости своих основных положений она никогда не будет опровергнута».