2.9. Термодинамика

Все течет, все изменяется, говорили древние философы. Таже мысль современной наукой формулируется так: движение является неотъемлемым атрибутом материи, способом ее существования. Движение реализуется в различных формах и, как показывают наблюдения, одна форма движения может переходить в другую. Более того, действие подавляющего большинства окружающих нас технических устройств основано на преобразовании движения. Например, автомобиль преобразует химическую форму движения топлива в механическую, гидроэлектростанция — движение потока воды в электричество и так далее. Естественно возникает вопрос, существуют ли какие-либо закономерности в процессах превращения форм движения. Положительный ответ на этот вопрос дает термодинамика.

Термодинамика, как и многие другие разделы физики, является количественной теорией. Необходимой предпосылкой формулировки таких теорий является введение однозначно измеримых, то есть численных, характеристик рассматриваемого явления. Такие характеристики называются физическими величинами. Определение физических величин дается, как правило, путем указания способа их измерения. Безусловно, каждая физическая величина включает и качественный аспект, так как с каждой из них ассоциирует некоторое понятие, представление. Одной из важнейших физических величин в термодинамике является энергия. Энергия — мера движения, характеризующая способность тела совершать работу.

Важнейшим свойством энергии, как впрочем и многих других физических величин, является ее универсальность, в том смысле, что самым разнообразным формам движения сопоставляется одна и та же характеристика. Эта универсальность позволяет количественно описывать процесс превращения одной формы движения в другую. Именно при изучении процессов превращения одних форм движения в другие был открыт один из фундаментальных законов природы — закон сохранения и превращения энергии. Согласно этому закону, энергия не создается и не исчезает. Во всех явлениях суммарная энергия замкнутой системы остается постоянной. Как показывает опыт, закон сохранения энергии выполняется как в макроскопических, так и микроскопических процессах.

Превращение энергии всегда связано с некоторым процессом, в котором участвуют материальные тела. Все эти тела взаимодействуют друг с другом и таким образом оказывают взаимное влияние. Если мы, изучая некоторую систему, не учтем влияние хотя бы одного тела, то не сможем обнаружить присущих системе закономерностей, так как влияния этого тела будет непредсказуемым. В связи с этим, необходимо аккуратно подходить к выбору исследуемой системы. В термодинамике под системой понимают некоторую ограниченную совокупность тел. Все тела, находящиеся за границами системы, называют окружающей средой. Если система может обмениваться с окружающей средой энергией и веществом, то система называется открытой. Если обмен веществом между системой и окружающей средой отсутствует, то система называется закрытой. Наконец, система называется изолированной или замкнутой, если отсутствует обмен с окружающей средой как энергией, так и веществом. Любая замкнутая система, независимо от своего начального состояния, приходит в состояние термического или теплового равновесия, которое является стационарным.