Постулати термодинаміки

1. Термодинаміка – це розділ фізики, в якому з найбільш загальних позицій (без звернення до молекулярних уявленням) розглядаються процеси обміну енергією між досліджуваним об’єктом і навколишнім середовищем. Термодинаміка – це вчення про зв’язки та взаємоперетвореннях різних видів енергії, теплоти і роботи.
Перелічити всі області знання, в яких використовуються термодинамічні методи дослідження, просто неможливо. Як би складно не було досліджуване явище, до якої б галузі пізнання воно не ставилося – від астрофізики до складних біохімічних процесів – усюди і завжди найбільш важливим, суттєвим, основним буде перехід, перетворення одного виду енергії в інший.
Термодинаміка відрізняється від інших наукових дисциплін, що вивчають навколишній світ. Заснована на простих спостереженнях, на нескладних дослідах, вона розвинулася в дивно струнку науку, в основі якої лежить невелике число основних законів.
Шляхом суворих логічних висновків, методами чисто математичних висновків термодинаміка встановлює зв’язок між найрізноманітнішими властивостями речовини, дозволяє на підставі вивчення одних, легко вимірюваних величин обчислити інші, важливі і необхідні, але недоступні безпосередньому виміру.
2. Будь-який матеріальний об’єкт, будь-яке тіло або сукупність тіл, що складаються з великого числа частинок, називається макроскопічної системою. Термодинаміка може вивчати будь-які системи, але одна умова обов’язково: система повинна бути кінцевою. Вона може бути мізерно малою, такий, як, наприклад, жива клітина, може бути гигантски великий, як зірка. При цьому важливо підкреслити, що вивчається в рамках термодинаміки система повинна складатися з великої кількості молекул, оскільки закони термодинаміки втрачають свій сенс для систем, що складаються з декількох молекул.
Стан системи визначається сукупністю її властивостей. Ознаки, що характеризують стан системи, наприклад, температура, тиск, об’єм або процентний склад суміші в неоднорідній системі, називаються термодинамічними параметрами. Термодинамічне стан визначається сукупністю всіх термодинамічних параметрів.
Стан називається стаціонарним, якщо параметри системи з часом не змінюються. Якщо в системі не тільки всі параметри постійні в часі, але і немає ніяких стаціонарних потоків за рахунок дії яких-небудь зовнішніх джерел, то такий стан системи називається рівноважним. Параметри, що характеризують цей стан, називаються рівноважними. Надалі будуть розглядатися тільки рівноважні термодинамічні системи.
Перехід системи з одного стану в інший, пов’язаний зі зміною хоча б одного з її термодинамічних параметрів, називається процесом. Процес, що складається з ряду наступних один за одним рівноважних станів, називається рівноважним. Параметри двох сусідніх станів у такому процесі відрізняються на нескінченно малу величину. Рівноважний процес може бути тільки нескінченно повільним процесом, щоб в будь-який момент часу існувало рівноважний стан у всіх частинах системи. Будь-який процес, що протікає з кінцевою швидкістю, наприклад, стиснення газу під поршнем, призведе до того, що тиск в різних частинах системи виявиться різним. Параметри системи будуть змінюватися, і процес стане нерівновагим.
Дуже важливо підкреслити, що тільки рівноважні процеси можуть бути представлені графічно, оскільки тільки для цих процесів параметри стану системи мають однакове для всіх її точок цілком певне значення.
3. Вище вже зазначалося, що в основу термодинаміки покладено деякі загальні твердження, які є узагальненням великої кількості досвідчених фактів. Ці твердження прийнято називати постулатами.
Так, перший, або основний, постулат термодинаміки (його ще називають загальним початком термодинаміки) стверджує, що у ізольованій системи (системи, яка не обмінюється з зовнішніми тілами ні енергією, ні речовиною) існує стан термодинамічної рівноваги, в яке вона приходить з часом і ніколи мимовільно вийти з нього не може. Цей процес переходу системи з нерівноважного стану в рівноважний називається релаксацією, а проміжок часу, протягом якого система повертається в стан рівноваги, називається часом релаксації.
Друге вихідне положення термодинаміки (другий постулат) пов’язане з іншими властивостями термодинамічної рівноваги як особливого виду теплового руху. Досвід показує, що якщо дві системи А і В, кожна з яких є рівноважною, привести в тепловий контакт, то рівновага в них може порушитися, однак, через деякий час, в процесі теплообміну (обміну енергією) обидві системи прийдуть в інший рівноважний стан.
Крім того, якщо є три рівноважні системи А, В, С і якщо системи А і В порізно знаходяться в рівновазі з системою З, то системи А і В знаходяться в термодинамічній рівновазі і між собою.
Таким чином, стан термодинамічної рівноваги системи визначається не тільки зовнішніми параметрами (вони залежать від положення не входять в систему зовнішніх тіл), але ще деякою величиною, що характеризує її внутрішній стан. Ця величина, що виражає стан внутрішнього руху рівноважної системи і має одне і те ж значення для всіх її частин, називається температурою.
У попередньому розділі на прикладі ідеального газу вже було показано, що температура є мірою інтенсивності теплового руху молекул. Викладене положення про існування температури, що характеризує стан рівноважної системи, являє собою друге вихідне положення термодинаміки, яке іноді називають “нульовим початком”. За своїм фізичним змістом другий постулат термодинаміки по суті справи виражає закон теплового рівноваги. Цей закон стверджує, що будь-яка ізольована система тіл з часом сама собою переходить в стан, при якому температура всіх тіл системи однакова. Такий стан і називається станом теплового рівноваги. Закон цей багатьом здається і завжди здавався очевидним, на його відкриття не претендує жоден учений, і ніхто не може вказати дату його відкриття. Тому він і відомий як один з постулатів, на яких базується термодинаміка.
4. Ще про температуру і способах її вимірювання. Температура – одна з тих не надто багатьох фізичних величин, про яку людина дізнається раніше, ніж починає вивчати фізику. Вже в ранньому дитинстві ми дізнаємося, що словами гаряче, тепле, холодне, що відображає наші відчуття, відповідають різні значення температури. Через звичності поняття температури ми зазвичай не віддаємо собі звіту в тому, наскільки ця величина своєрідна і чим вона відрізняється від інших величин. А різниця дуже суттєва і полягає в наступному. Якщо з’єднати десять стрижнів довжиною 1 м кожен, то отримаємо один стрижень довжиною 10 м. Десять мас в 1 кг кожна дадуть масу в 10 кг. Але якщо з’єднати десять тіл, температура кожного з яких дорівнює 20ºС, ми не отримаємо тіла, температура якого дорівнює 200ºС. Температура об’єднаного тіла раніше буде дорівнює 20ºС. Температури тіл при їх з’єднанні не складаються, як складаються їхні довжини або маси. Довжина в 100 м – це сума ста довжин в 1 м, але температура в 100 º – це не сума ста температур в 1 º кожна, подібно до того, як людина у віці 15 років – це не те ж саме, що 15 дітей віком по року . Це своєрідне властивість температури відзначають особливим словом. Кажуть, що температура – величина не аддитивная.
З цією особливістю температури пов’язаний і спосіб її виміру. Щоб виміряти довжину тіла, його потрібно порівняти з іншим тілом, обраним за еталон; визначити масу тіла – значить порівняти з іншою масою, обраної за одиницю. Через властивості неаддитивности температуру так виміряти не можна. Яким же чином температуру все-таки вимірюють?
Прилад для вимірювання температури – термометр – вперше був винайдений Галілеєм близько 1592 (в літературі слово “термометр” вперше зустрічається в 1624 г.). Спосіб вимірювання температури, запропонований Галілеєм, принципово не відрізняється від того, яким користуються і зараз.

Балон нагрівають руками і занурюють нижній кінець трубки в посудину з водою (с). У міру того, як балон охолоджується до температури навколишнього повітря, рівень води в трубці піднімається над рівнем води в посудині. Легко зрозуміти, що в приладі Галілея використовується той факт, що обсяг газу в балоні з трубкою залежить від температури. Тому щодо зміни обсягу газу можна судити про зміну температури.
Строго кажучи, описаний прилад, званий в літературі термоскопом, може бути використаний як термометр, якщо тим чи іншим чином буде забезпечений шкалою. На вирішення цього завдання потрібно 150 років. Поки ж для нас найбільш важливо те, що вже в приладі Галілея закладено принцип вимірювання температури, який не довелося міняти аж до наших днів: температура що безпосередньо не вимірюється. Вимірюється величина, що залежить від температури. У термоскопе Галілея це був обсяг газу. У сучасному ртутному термометрі це обсяг ртуті. Поряд з обсягом газу або ртуті такою величиною може бути тиск газу (при постійному обсязі), довжина твердого стрижня, електричний опір провідників і т.д.
Ясно, що поява термометра дозволило експериментально підтвердити закон теплового рівноваги. З іншого боку, саме вимірювання температури за допомогою термометра засноване на цьому законі. Адже термометр теж тіло, що має певну температуру, і він вимірює саме власну температуру. А якщо ми хочемо з його допомогою виміряти температуру якого-небудь іншого тіла, воно має бути в тепловій рівновазі з термометром. Ось чому при вимірюванні температури тіла за допомогою термометра завжди доводиться чекати деякий час – час встановлення теплової рівноваги між тілом і термометром.
Отже, поява термометра зіграло важливу роль, проте вчені не отримали відповіді на питання: що саме вимірює термометр і що таке температура.
Температура – величина, яка характеризує тепловий стан тіла. Про холодних і гарячих тілах ми говоримо, що у них різна температура. Отже, питання про те, що таке температура, зводиться до питання: чим відрізняється холодне тіло від гарячого. Запропонована Галілеєм відома теорія теплорода не дала відповіді на це питання, хоча і пояснила походження слова “температура” – суміш. Відповідно до теорії Галілея кожне тіло – це суміш речовини тіла і теплорода. Протягом ста п’ятдесяти років вважалося, що, вимірюючи температуру, ми вимірюємо концентрацію теплорода в тілі.
Але одночасно з речової теорією теплоти існувала й інша теорія, одним з творців якої був М.В. Ломоносов. Ця теорія ґрунтувалася на тому факті, що нагрівання тіла може бути викликане рухом. Ломоносов писав: “Дуже добре відомо, що теплота збуджується рухом: від взаємного тертя руки зігріваються, дерево загоряється полум’ям, при ударі кременя об кресало з’являються іскри, залізо розжарюється від проковиванія частими і сильними ударами” “. Звідси робиться висновок, що теплота – це неречовина, а рух маленьких частинок, з яких побудовано речовину.

Посилання на основну публікацію