Глава 2. Элементы термодинамики

2.1. Термодинамический метод

Задачей термодинамики, как и молекулярно-кинетической теории (статистической физики), является установление зависимостей между физическими величинами, характеризующими рассматриваемое тело и окружающую среду, и непосредственно наблюдаемыми на опыте, т. е. мак­роскопическими величинами. Термодинамика, в отличие от статистической физики, не строит никаких модельных представлений об атомно-молекулярном строении вещества, поэтому в ней отсутствуют любые величины, характеризующие отдельные частицы (диаметры молекул и атомов, их масса, структура и т. п.), ее выводы не зависят от этих моделей и сфера применимости значительно шире. В настоящее время до высокого совершенства разработаны техническая термо-динамика, изучающая про­цессы взаимного превращения теплоты и механической работы, термо­динамика химических и фазовых превра-щений, термодинамика электричес­ких и магнитных явлений, термо-динамика излучений, радиоактивного распада, процессов развития звезд и т. д. Возникает законный вопрос, чем же обуславливается возможность такого универсального применения термодинамического метода?

Термодинамика основывается на трех законах, установленных на огромном количестве физических опытов, из которых все остальные по­ложения этой науки получаются путем строго логичных рассуждений.

Первый закон термодинамики непосредственно связан с абсолютным по своему существу, одним из наиболее общих законов природы – зако­ном сохранения и превращения энергии. Характерно, что термодинамика привлекает его в специфичной форме, позволяющей установить непосред­ственную связь между физическими величинами, характе-ризующими влия­ние разнородных воздействий (тепловых, электриче-ских, магнитных и других) на свойства рассматриваемого материального тела.

Изначально первый закон термодинамики относился всего лишь к двум формам энергии: тепловой и механической, что позволяло с его помощью исследовать связи только между тепловыми и механически­ми явлениями. Этот факт отражен в самом названии термодинамики.

Второй закон термодинамики – закон о возможности протекания любых самопроизвольных процессов. На его основе можно предсказать, при каких внешних условиях возможен процесс, и в каком направлении он будет протекать. Возможность протекания процесса в том или ином направлении представляет не только теоретический, но и большой практический интерес.

Третий закон термодинамики – закон об абсолютном значении энтропии, фундаментальной величине в физике. Несмотря на огромное теоретическое значение третьего закона, его практическое применение ограничивается областью физико-химических превращений. К примеру, этот закон позволяет вычислить так называемую константу рав­новесия химической реакции и, как следствие, максимально возможный выход продукта реакции, не прибегая к опытному ее определению.

В теории тепловых машин этот закон не находит применения, ибо там всегда рассматриваются только изменения энтропии, а не ее абсолютное значение.

Таким образом, в основе термодинамики лежат три закона – общие и неопровержимые истины, установленные в результате обобщения боль­шего числа опытных данных.

Отметим, что термодинамический метод оказывается тем точнее, чем больше частиц в рассматриваемой системе, или чем меньше отно­сительные флуктуации рассматриваемых величин. Для систем, содержащих малое число частиц, термодинамика неприменима.