книги / Общая термодинамика.-1

ПРЕДИСЛОВИЕ

Термодинамику сегодня возможно разбит^ на два основных раз­ дела: общая термодинамика и ее приложения (прикладная термоди­ намика). Поскольку общая термодинамика в той или иной мере способна рассматривать почти все разделы современного естество­ знания, число её приложений столь велико, что требует специаль­ ного рассмотрения.

Данная работа посвящена общей термодинамике, широко ис­ пользующей ставший классическим метод описания явлений с по­ мощью дифференциальных уравнений. Логика изложения требует частого использования знака тождества, что в данном тексте обыч­ но соответствует словам: это есть. На это считаем необходимым сразу обратить внимание читателя.

Общая термодинамика по необходимости распадается на введе­ ние, самостоятельное значение которого обусловлено необходимо­ стью систематического рассмотрения объекта термодинамики, а также на параметрическую и специальную термодинамики (воз­ можно, в последующем войдут сюда и статистическая термодина­ мика, базирующаяся на собственном методе анализа некоторой группы явлений).

В параметрической термодинамике общность анализа любых познаваемых и гипотетических явлений достигается использовани­ ем опосредованных параметров состояния термодинамической си­ стемы. В специальной же термодинамике конкретный параметр со­ стояния, который может быть измерен или рассчитан по результа­ там измерений, рассматривается со всех сторон и во взаимосвязи с иными параметрами. Такое построение общей термодинамики обе­ спечивает методическое единство общего и частного в анализе практически любых явлений.

Наша работа по созданию общей термодинамики началась с анализа конкретных свойств веществ, что потребовалось при по­ строении и обосновании полимерологии — единой науки о полиме­ рах, их свойствах и превращениях (возникшие при обосновании по-

ВВЕДЕНИЕ В ОБЩУЮ

ТЕРМОДИНАМИКУ

Вступление

1.Термодинамическая система (подходы к определению)

2.Периодическая система структурных уровней материи

3.Периодическая система межуровневых состояний

4.Определение термодинамической системы

5.Основной закон термодинамики

6.Время

7.Временные вероятностные состояния

8.Пространство

9.Принцип суперпозиции статических и кинетических явлений

10.Топография переносов

11.Операции над потоками и течениями

12.Структура термодинамики

Второе начало термодинамики утверждает, что невозможен процесс, единственным конечным результатом которого

по Кельвину — будет превращение в работу теплоты, извлечен­ ной из источника, имеющего всюду одинаковую температуру;

по Клаузиусу — будет переход теплоты от тела с данной темпе­ ратурой к телу с более высокой температурой.

Поскольку во времена становления термодинамики известными формами энергии были только теплота и работа, в которую она превращалась по циклу Карно, считавшемуся в те времена одной из вершин теории, в паровой машине, то главным содержанием тер­ модинамики — научной области, название которой тогда полнос­ тью соответствовало её содержанию, — было описание превраще­ ния теплоты в механическую работу (и обратно).

3.Отделение содержания этой научной области от ее названия, пожалуй, началось, когда работами Максвелла, Больцмана и Гибб­ са для понимания основных термодинамических законов и смысла энтропии была привлечена статистическая механика, что привело к развитию статистической термодинамики, для которой теплота пе­ рестала быть отправной точкой развития общей теории. В термо­ динамике необратимых процессов (неравновесная термодинамика) среди основных анализируются такие явления, как массоперенос и вязкое течение, при рассмотрении которых исходить из теории теп­ лоты нет необходимости.

Своеобразие складывающейся ситуации состоит в том, что из некоторых специальных фундаментальных изданий стало выпадать даже определение собственно термодинамики. Не выражает ли это мнение некоторых о том, что термодинамика перестала развивать­ ся, а термодинамический метод себя исчерпал?

4.Нельзя забывать, что термодинамика традиционно была од­ ним из основных разделов теоретической физики, можно сказать,

еекраеугольным камнем. Сегодня в физике основной акцент дела­ ется на познание атома и такого важного, но все же частного явле­ ния, как сверхпроводимость. Знамением современности является бурное развитие квантовой механики, электроники и информатики.

Но что, построение и обоснование единой физической теории — общей физики закончилось? Дать утвердительный ответ, наверное, пока нельзя, ибо до сих пор остается эмпирическим целый ряд фун­ даментальных физических законов. В этом ряду и максвелловы за­ коны электродинамики, и закон светового давления Лебедева, и уравнение Шредингера, и гравитационный закон Ньютона, и элек­

тростатический закон Кулона, и закон Гука (сюда добавим и коэф­ фициент Пуассона) и т. д. О законах биологии и говорить нечего. Обращает внимание, что не ставили задачу обосновать фундамен­ тальные положения (за исключением, пожалуй, энтропии) ни кван­ товая механика, ни активно развивающаяся статистическая теория, которая столь часто излагается, что один из последних в многочис­ ленном ряду разработчиков даже воскликнул: «Боже, еще одна кни­ га по статистической физике» (Ю. Климантович). А ведь проблема не только в выводе фундаментальных законов, но в обосновании и

всистемном анализе их единства.

5.Используя термодинамический метод, в котором основополага­

ющим является дифференциальное уравнение состояния термодинами­ ческой системы, возможно выразить наиболее общие и фундаменталь­ ные законы природы (тепловые, механические, биологические, инфор­ мационные и др.), их взаимосвязь. Соответственно определяется и ме­ сто термодинамики как основного раздела физики в системе фунда4ментальных наук — она пронизывает все естественнонаучные обла­ сти, участвуя в создании их надежного теоретического фундамента.

В согласии с положениями современного науковедения следует различать общую термодинамику и ее приложения. Существенное развитие получили такие специальные разделы термодинамики, как химическая термодинамика, термодинамика поверхностных явле­ ний, теплотехника (термодинамика тепловых явлений). Здесь отме­ тим, что методологически статистическая термодинамика выступа­ ет как методический раздел общей термодинамики, разрабатываю­ щей собственный аппарат рассмотрения некоторых фундаменталь­ ных законов природы. Возможно, этот аппарат и аппарат термо­ динамики, скажем так, традиционной, никогда не удастся поста­ вить на одну платформу; будущее — за поиском рационального ис­ пользования и развития всего достигнутого, на этих двух ныне до­ статочно четко оформившихся путях. В данной работе статистиче­ ский метод не используется.

1. Термодинамическая система (подходы к определению)

1.1. В термодинамике традиционно различают закрытые, изоли­ рованные и открытые системы. Эти определения систем будут рас­ смотрены позднее. В первую же очередь следует разобраться в том, что же такое собственно термодинамическая система.