Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жылу, жұмыс және температура физикасы
Physics of heat, work, and temperature
Термодинамика – физиканың жылу, жұмыс және температурамен, олардың энергиямен, энтропиямен және материя мен сәулеленудің физикалық қасиеттерімен байланысын зерттейтін саласы. Бұл шамалардың мінез-құлқы термодинамиканың төрт заңымен реттеледі, олар өлшенетін макроскопиялық физикалық шамаларды пайдаланып сандық сипаттама береді, бірақ статистикалық механика арқылы микроскопиялық құрамдас бөліктер тұрғысынан түсіндірілуі мүмкін. Термодинамика ғылым мен техниканың көптеген салаларында қолданылады, әсіресе физикалық химия, биохимия, химиялық инженерия және машина жасау салаларында, сондай-ақ метеорология сияқты басқа да күрделі салаларда. Тарихи тұрғыдан алғанда, термодинамика алғашқы бу машиналарының тиімділігін арттыру ниетінен туындады, әсіресе француз физигі Сади Карноның (1824) еңбегі арқасында. Ол қозғалтқыштың тиімділігі Францияның Наполеон соғыстарында жеңіске жетуіне көмектесетін кілт деп сенді. Шотландия-ирландиялық физик Лорд Кельвин 1854 жылы термодинамиканың қысқаша анықтамасын тұңғыш рет берді, онда былай делінген: «Термодинамика – денелердің жалғасқан бөліктері арасындағы күштерге жылудың қатынасы және жылудың электрлік құбылыстарға қатынасы». Неміс физигі және математигі Рудольф Клаузиус Карно циклі деп белгілі Карно принципін қайта қарастырып, жылу теориясына нақты және берік негіз берді. Оның ең маңызды еңбегі – «Жылудың қозғалыс күші туралы» (1850) мақаласында термодинамиканың екінші заңы алғаш рет айтылды. 1865 жылы ол энтропия ұғымын енгізді. 1870 жылы ол жылуға қатысты вириал теоремасын енгізді. Термодинамиканы механикалық жылу машиналарына қолданудың алғашқы кезеңдері тез арада химиялық қосылыстар мен химиялық реакцияларды зерттеуге дейін кеңейтілді. Химиялық термодинамика химиялық реакциялар процесінде энтропияның қандай рөл атқаратынын зерттейді және осы саланың кеңеюіне және білімінің дамуына үлкен үлес қосты. Термодинамиканың басқа да тұжырымдамалары пайда болды. Статистикалық термодинамика немесе статистикалық механика бөлшектердің ұжымдық қозғалысының статистикалық болжамдарын олардың микроскопиялық мінез-құлқы арқылы қарастырады. 1909 жылы Константин Каратеодори аксиоматикалық тұрғыдан таза математикалық тәсіл ұсынды, бұл сипаттама көбінесе геометриялық термодинамика деп аталады.
Thermodynamics is a branch of physics that deals with heat, work, and temperature, and their relation to energy, entropy, and the physical properties of matter and radiation. The behavior of these quantities is governed by the four laws of thermodynamics, which convey a quantitative description using measurable macroscopic physical quantities, but may be explained in terms of microscopic constituents by statistical mechanics. Thermodynamics applies to a wide variety of topics in science and engineering, especially physical chemistry, biochemistry, chemical engineering and mechanical engineering, but also in other complex fields such as meteorology. Historically, thermodynamics developed out of a desire to increase the efficiency of early steam engines, particularly through the work of French physicist Sadi Carnot (1824) who believed that engine efficiency was the key that could help France win the Napoleonic Wars. Scots Irish physicist Lord Kelvin was the first to formulate a concise definition of thermodynamics in 1854 which stated, "Thermo dynamics is the subject of the relation of heat to forces acting between contiguous parts of bodies, and the relation of heat to electrical agency." German physicist and mathematician Rudolf Clausius restated Carnot's principle known as the Carnot cycle and gave to the theory of heat a truer and sounder basis. His most important paper, "On the Moving Force of Heat", published in 1850, first stated the second law of thermodynamics. In 1865 he introduced the concept of entropy. In 1870 he introduced the virial theorem, which applied to heat. The initial application of thermodynamics to mechanical heat engines was quickly extended to the study of chemical compounds and chemical reactions. Chemical thermodynamics studies the nature of the role of entropy in the process of chemical reactions and has provided the bulk of expansion and knowledge of the field. Other formulations of thermodynamics emerged. Statistical thermodynamics, or statistical mechanics, concerns itself with statistical predictions of the collective motion of particles from their microscopic behavior. In 1909, Constantin Carathéodory presented a purely mathematical approach in an axiomatic formulation, a description often referred to as geometrical thermodynamics.
Кіріспе
Кез келген термодинамикалық жүйенің сипаттамасы аксиоматикалық негізді құрайтын төрт термодинамикалық заңға сүйенеді. Бірінші заң энергияның физикалық жүйелер арасында жылу, жұмыс және зат алмасу арқылы берілу мүмкіндігін көрсетеді. Екінші заң энтропия деп аталатын шаманың бар екенін анықтайды, ол жүйенің термодинамикалық эволюция бағытын сипаттайды, жүйенің реттілік күйін мөлшерлейді және жүйеден алынатын пайдалы жұмысты сандық бағалауға мүмкіндік береді. Термодинамикада көптеген денелердің жиынтығы арасындағы өзара әрекеттесулер зерттеледі және жіктеледі. Бұл тұжырымдамалардың негізгілері – термодинамикалық жүйе және оның қоршаған ортасы. Жүйе бөлшектерден тұрады, олардың орташа қозғалысы жүйенің қасиеттерін анықтайды, ал осы қасиеттер өз кезегінде күй теңдеулері арқылы байланыстырылады. Қасиеттерді біріктіре отырып, ішкі энергия мен термодинамикалық потенциалдарды білдіруге болады, олар тепе-теңдік және спонтанды процестердің шарттарын анықтау үшін пайдалы. Осы құралдардың көмегімен термодинамика жүйенің қоршаған ортаның өзгеруіне қалай жауап беретінін сипаттауға мүмкіндік береді. Бұл қозғалтқыштар, фазалық өтулер, химиялық реакциялар, көлік құбылыстары және тіпті қара тесіктер сияқты ғылым мен инженерияның көптеген салаларына қолданылады. Термодинамиканың нәтижелері физиканың басқа салаларымен қатар химия, химиялық инженерия, коррозиядан қорғау инженериясы, аэроғарыш инженериясы, механикалық инженерия, жасуша биологиясы, биомедициналық инженерия, материалдар ғылымы және экономика үшін де маңызды. Бұл мақала негізінен термодинамикалық тепе-теңдіктегі жүйелерді зерттейтін классикалық термодинамикаға бағышталған. Тепе-теңдік емес термодинамика көбінесе классикалық қарастырудың кеңейтілген нұсқасы ретінде қарастырылады, бірақ статистикалық механика осы салаға көптеген жаңалықтар әкелді.
A description of any thermodynamic system employs the four laws of thermodynamics that form an axiomatic basis. The first law specifies that energy can be transferred between physical systems as heat, as work, and with transfer of matter. The second law defines the existence of a quantity called entropy, that describes the direction, thermodynamically, that a system can evolve and quantifies the state of order of a system and that can be used to quantify the useful work that can be extracted from the system. In thermodynamics, interactions between large ensembles of objects are studied and categorized. Central to this are the concepts of the thermodynamic system and its surroundings. A system is composed of particles, whose average motions define its properties, and those properties are in turn related to one another through equations of state. Properties can be combined to express internal energy and thermodynamic potentials, which are useful for determining conditions for equilibrium and spontaneous processes. With these tools, thermodynamics can be used to describe how systems respond to changes in their environment. This can be applied to a wide variety of topics in science and engineering, such as engines, phase transitions, chemical reactions, transport phenomena, and even black holes. The results of thermodynamics are essential for other fields of physics and for chemistry, chemical engineering, corrosion engineering, aerospace engineering, mechanical engineering, cell biology, biomedical engineering, materials science, and economics, to name a few. This article is focused mainly on classical thermodynamics which primarily studies systems in thermodynamic equilibrium. Non equilibrium thermodynamics is often treated as an extension of the classical treatment, but statistical mechanics has brought many advances to that field.
Тарих
Термодинамика ғылыми пән ретінде әдетте 1650 жылы әлемдегі алғашқы вакуум сорғысын құрастырып, жобалаған және Магдебург жарты шарларын қолдана отырып, вакуумды көрсеткен Отто фон Герикеден басталады. Герике Аристотельдің «табиғат вакуумды жек көреді» деген ұзақ уақыт бойы сақталған пікірін жоққа шығару үшін вакуум жасауға тырысты. Герикеден кейін көп ұзамай, ағылшын-ирланд физигі және химигі Роберт Бойль Герике жобаларымен танысып, 1656 жылы ағылшын ғалымы Роберт Гукпен бірлесіп ауа сорғысын жасады. Осы сорғыны пайдаланып, Бойль мен Гук қысым, температура және көлем арасындағы байланысты байқады. Содан кейін Бойль заңы қалыптасты, онда қысым мен көлем кері пропорционалды екені айтылды. 1679 жылы Бойльдің әріптесі Денис Папин осы ұғымдар негізінде буды жоғары қысымға дейін ұстайтын жабық ыдыспен жабдықталған буды өңдейтін құрылғыны жасады. Кейінгі үлгілерде машинаның жарылуын болдырмау үшін буды босату клапаны қосылды. Суаңның жоғары-төмен ырғақты қозғалысын бақылап, Папин поршеньді цилиндрлі қозғалтқыш идеясын ойлап тапты. Бірақ ол бұл жобасын іске асырмады. Дегенмен, 1697 жылы Папиннің жобаларын пайдаланып, инженер Томас Севери алғашқы қозғалтқышты жасады, ал 1712 жылы Томас Ньюкомен да солай істеді. Бұл алғашқы қозғалтқыштар қарапайым және тиімсіз болғанымен, сол кездегі жетекші ғалымдардың назарын аударды. Термодинамиканың дамуы үшін қажетті жылу сыйымдылығы және жасырын жылу сияқты негізгі ұғымдарды Джеймс Уатт аспап жасаушы ретінде жұмыс істеген Глазго университетінің профессоры Джозеф Блэк әзірледі. Блэк пен Уатт бірлесіп тәжірибелер жүргізді, бірақ сыртқы конденсатор идеясын жасаған Уатт бу қозғалтқышының тиімділігін едәуір арттырды. Бұрынғы жұмыстардың нәтижесінде «термодинамиканың әкесі» аталған Сади Карно 1824 жылы «Оттың қозғаушы күші туралы ойлар» атты еңбегін жариялады, онда жылу, қуат, энергия және қозғалтқыштың тиімділігі туралы мәселелер талданды. Кітапта Карно қозғалтқышы, Карно циклі және қозғаушы күш арасындағы энергетикалық қатынастар сипатталды. Бұл термодинамиканың қазіргі заманғы ғылым ретінде қалыптасуының бастамасы болды. Бірінші термодинамикалық оқулықты 1859 жылы Уильям Ранкин жазды, ол бастапқыда физик және Глазго университетінің азаматтық және механикалық инженерлік профессоры болған. Термодинамиканың бірінші және екінші заңдары 1850 жылдары бірдей кезеңде пайда болды, оның негізгі авторлары Уильям Ранкин, Рудольф Клаузиус және Уильям Томсон (Лорд Кельвин) болды. Статистикалық термодинамиканың негіздерін Джеймс Клерк Максвелл, Людвиг Болцман, Макс Планк, Рудольф Клаузиус және Дж. Виллард Гиббс сияқты физиктер қалады. Клаузиус екінші заңның негізгі идеяларын алғаш рет «Жылудың қозғалыс күші туралы» мақаласында баяндап, 1865 жылы энтропия ұғымын енгізді. 1873-76 жылдары американдық математикалық физик Джозиа Уиллард Гиббс үш мақаладан тұратын серия жариялады, олардың ең танымалдары «Гетерогенді заттардың тепе-теңдігі туралы» болды. Онда ол термодинамикалық процестерді, соның ішінде химиялық реакцияларды, термодинамикалық жүйенің энергиясын, энтропиясын, көлемін, температурасын және қысымын зерттей отырып, графикалық түрде қалай талдауға болатынын көрсетті, осылайша процестің спонтанды түрде жүзеге асуын анықтауға болады. Сондай-ақ Пьер Дюхем 19 ғасырда химиялық термодинамика туралы жазды. 20 ғасырдың басында Гилберт Н. Льюис, Мерл Рэндалл және Э. А. Гуггенхайм сияқты химиктер Гиббстің математикалық әдістерін химиялық процестерді талдау үшін қолданды.
The history of thermodynamics as a scientific discipline generally begins with Otto von Guericke who, in 1650, built and designed the world's first vacuum pump and demonstrated a vacuum using his Magdeburg hemispheres. Guericke was driven to make a vacuum in order to disprove Aristotle's long held supposition that 'nature abhors a vacuum'. Shortly after Guericke, the Anglo Irish physicist and chemist Robert Boyle had learned of Guericke's designs and, in 1656, in coordination with English scientist Robert Hooke, built an air pump. Using this pump, Boyle and Hooke noticed a correlation between pressure, temperature, and volume. In time, Boyle's Law was formulated, which states that pressure and volume are inversely proportional. Then, in 1679, based on these concepts, an associate of Boyle's named Denis Papin built a steam digester, which was a closed vessel with a tightly fitting lid that confined steam until a high pressure was generated. Later designs implemented a steam release valve that kept the machine from exploding. By watching the valve rhythmically move up and down, Papin conceived of the idea of a piston and a cylinder engine. He did not, however, follow through with his design. Nevertheless, in 1697, based on Papin's designs, engineer Thomas Savery built the first engine, followed by Thomas Newcomen in 1712. Although these early engines were crude and inefficient, they attracted the attention of the leading scientists of the time. The fundamental concepts of heat capacity and latent heat, which were necessary for the development of thermodynamics, were developed by Professor Joseph Black at the University of Glasgow, where James Watt was employed as an instrument maker. Black and Watt performed experiments together, but it was Watt who conceived the idea of the external condenser which resulted in a large increase in steam engine efficiency. Drawing on all the previous work led Sadi Carnot, the "father of thermodynamics", to publish Reflections on the Motive Power of Fire (1824), a discourse on heat, power, energy and engine efficiency. The book outlined the basic energetic relations between the Carnot engine, the Carnot cycle, and motive power. It marked the start of thermodynamics as a modern science. The first thermodynamic textbook was written in 1859 by William Rankine, originally trained as a physicist and a civil and mechanical engineering professor at the University of Glasgow. The first and second laws of thermodynamics emerged simultaneously in the 1850s, primarily out of the works of William Rankine, Rudolf Clausius, and William Thomson (Lord Kelvin). The foundations of statistical thermodynamics were set out by physicists such as James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius and J. Willard Gibbs. Clausius, who first stated the basic ideas of the second law in his paper "On the Moving Force of Heat", introduced the concept of entropy in 1865. During the years 1873–76 the American mathematical physicist Josiah Willard Gibbs published a series of three papers, the most famous being On the Equilibrium of Heterogeneous Substances, in which he showed how thermodynamic processes, including chemical reactions, could be graphically analyzed, by studying the energy, entropy, volume, temperature and pressure of the thermodynamic system in such a manner, one can determine if a process would occur spontaneously. Also Pierre Duhem in the 19th century wrote about chemical thermodynamics. During the early 20th century, chemists such as Gilbert N. Lewis, Merle Randall, and E. A. Guggenheim applied the mathematical methods of Gibbs to the analysis of chemical processes.
Этимология
Термодинамиканың күрделі этимологиясы бар. Сырттай қарағанда, сөз екі бөліктен тұрады, олардың тамыры ежелгі грек тіліне дейін жетеді. Біріншіден, термо ("жылу туралы"; термометр сияқты сөздерде қолданылады) θέρμη therme түбірінен шыққан, ол "жылу" деген мағынаны білдіреді. Екіншіден, динамика сөзі ("күш туралы ғылым") δύναμις dynamis түбірінен басталады, яғни "күш" дегенді көрсетеді. 1849 жылы Уильям Томсон "термодинамикалық" деген сөзді қолданды.
Thermodynamics has an intricate etymology. By a surface level analysis, the word consists of two parts that can be traced back to Ancient Greek. Firstly, thermo ("of heat"; used in words such as thermometer) can be traced back to the root θέρμη therme, meaning "heat". Secondly, the word dynamics ("science of force [or power]") can be traced back to the root δύναμις dynamis, meaning "power". In 1849, the adjective thermo dynamic is used by William Thomson.
Тепе-теңдік термодинамикасы
Тепе-теңдік термодинамикасы – айналасындағы факторлардың әсерінен термодинамикалық тепе-теңдіктің бір күйінен екіншісіне өте алатын жүйелер мен денелердегі зат пен энергия алмасуын зерттейтін ғылым. «Термодинамикалық тепе-теңдік» термині – барлық макроскопиялық ағындардың тоқтаған, тепе-теңдік жағдайын көрсетеді; ең қарапайым жүйелерде немесе денелерде олардың интенсивті қасиеттері біртекті болады, ал қысымдары олардың шекараларына перпендикуляр бағытталады. Тепе-теңдік жағдайында жүйенің макроскопиялық тұрғыдан ерекшеленетін бөліктері арасында теңгерімсіз потенциалдар немесе күштер болмайды. Тепе-теңдік термодинамикасының басты мақсаты – жақсы анықталған бастапқы тепе-теңдік күйдегі жүйенің, оның қоршаған ортасын және құраушы қабырғаларын ескере отырып, белгілі бір термодинамикалық операциядан кейін оның қабырғалары немесе қоршаған ортасы өзгергенде жүйенің қандай соңғы тепе-теңдік күйге жететінін анықтау.
Equilibrium thermodynamics is the study of transfers of matter and energy in systems or bodies that, by agencies in their surroundings, can be driven from one state of thermodynamic equilibrium to another. The term 'thermodynamic equilibrium' indicates a state of balance, in which all macroscopic flows are zero; in the case of the simplest systems or bodies, their intensive properties are homogeneous, and their pressures are perpendicular to their boundaries. In an equilibrium state there are no unbalanced potentials, or driving forces, between macroscopically distinct parts of the system. A central aim in equilibrium thermodynamics is: given a system in a well defined initial equilibrium state, and given its surroundings, and given its constitutive walls, to calculate what will be the final equilibrium state of the system after a specified thermodynamic operation has changed its walls or surroundings.
Тепе-теңдіктегі емес термодинамика
Тепе-теңдік емес термодинамика – термодинамиканың термодинамикалық тепе-теңдікте болмайтын жүйелерді зерттейтін саласы. Табиғатта кездесетін көптеген жүйелер термодинамикалық тепе-теңдікте емес, себебі олар тұрақты күйде болмайды және басқа жүйелермен үздіксіз немесе үзіліспен зат пен энергия алмасады. Тепе-теңдік емес жүйелерді термодинамикалық тұрғыдан зерттеу үшін, тепе-теңдік термодинамикасында қолданылатын қарапайым түсініктерден артық, көбірек жалпылама ұғымдар қажет. Көптеген табиғи жүйелер қазіргі таңдағы белгілі макроскопиялық термодинамикалық әдістермен толыққанды зерттеуден әлі де тыс қалып отыр.
Non equilibrium thermodynamics is a branch of thermodynamics that deals with systems that are not in thermodynamic equilibrium. Most systems found in nature are not in thermodynamic equilibrium because they are not in stationary states, and are continuously and discontinuously subject to flux of matter and energy to and from other systems. The thermodynamic study of non equilibrium systems requires more general concepts than are dealt with by equilibrium thermodynamics. Many natural systems still today remain beyond the scope of currently known macroscopic thermodynamic methods.
Термодинамиканың заңдары
Термодинамика, бастысы, әрқайсысының шектеулеріне сәйкес келетін жүйелерге қолданылғанда әрқашан қолданылатын төрт заңға негізделген. Термодинамиканың әртүрлі теориялық сипаттамаларында бұл заңдар түрліше көрінуі мүмкін, бірақ ең маңызды формулировкалар келесідей.
Thermodynamics is principally based on a set of four laws which are universally valid when applied to systems that fall within the constraints implied by each. In the various theoretical descriptions of thermodynamics these laws may be expressed in seemingly differing forms, but the most prominent formulations are the following.
Нөлдік заң
Термодинамиканың бірінші заңы: Егер екі жүйе үшінші жүйемен жылулық тепе-теңдікте болса, онда олар өзара да жылулық тепе-теңдікте болады. Бұл тұжырым жылулық тепе-теңдіктің қарастырылып отырған термодинамикалық жүйелер жиынтығында эквиваленттілік қатынас екенін көрсетеді. Жүйелер тепе-теңдікте деп есептеледі, егер олардың арасындағы кішкентай, кездейсоқ алмасулар (мысалы, Браун қозғалысы) энергияның жалпы өзгерісіне алып келмесе. Бұл заң температураны өлшеудің кез келген әрекетінде астыртын түрде қолданылады. Сондықтан, егер екі дененің температурасы бірдей екенін анықтау қажет болса, оларды тікелей жанастырып, олардың байқалатын қасиеттерінің уақыт өте келе өзгеруін өлшеудің қажеті жоқ. Бұл заң температураның эмпирикалық анықтамасын береді және практикалық термометрлерді құруға негіздейді. Бірінші заң бастапқыда термодинамиканың жеке заңы ретінде мойындалмаған, себебі термодинамикалық тепе-теңдікке негізделгендігі басқа заңдарда көрініс тапқан. Бірінші, екінші және үшінші заңдар бұрыннан-ақ нақты айтылып, физикалық қауымдастықта кеңінен қабылданған, ал температураны анықтаудағы бірінші заңның маңыздылығы кейіннен анықталды. Басқа заңдарды қайта нөмірлеу ыңғайсыз болғандықтан, ол бірінші заң деп аталды.
The zeroth law of thermodynamics states: If two systems are each in thermal equilibrium with a third, they are also in thermal equilibrium with each other. This statement implies that thermal equilibrium is an equivalence relation on the set of thermodynamic systems under consideration. Systems are said to be in equilibrium if the small, random exchanges between them (e. g. Brownian motion) do not lead to a net change in energy. This law is tacitly assumed in every measurement of temperature. Thus, if one seeks to decide whether two bodies are at the same temperature, it is not necessary to bring them into contact and measure any changes of their observable properties in time. The law provides an empirical definition of temperature, and justification for the construction of practical thermometers. The zeroth law was not initially recognized as a separate law of thermodynamics, as its basis in thermodynamical equilibrium was implied in the other laws. The first, second, and third laws had been explicitly stated already, and found common acceptance in the physics community before the importance of the zeroth law for the definition of temperature was realized. As it was impractical to renumber the other laws, it was named the zeroth law.
Екінші заң
Термодинамиканың екінші заңының дәстүрлі тұжырымы: Жылу өздігінен суық денеден ыстық денеге ақпайды. Екінші заң – температура, қысым, химиялық потенциал және басқа да интенсивті қасиеттеріндегі біртектіліксіздіктерге ие материя және сәулелену жүйесіне қатысты, бұл біртектіліксіздіктер ішкі «шектеулерге» немесе оның ішіндегі өткізбейтін қатаң қабырғаларға, немесе сыртқы күштерге байланысты болады. Заңға сәйкес, егер жүйе сыртқы ортадан және осы күштерден оқшауланған болса, онда оның энтропиясы деп аталатын нақты термодинамикалық шама бар, ол шектеулер алынған сайын артады, соңында термодинамикалық тепе-теңдікке жеткенде максималды мәнге жетеді, осы кезде біртектіліксіздіктер дерлік жоғалады. Термодинамикалық тепе-теңдікке жету жылдамдығын анықтайтын жалпы физикалық принцип белгілі емес, және термодинамика мұндай жылдамдықтарды зерттемейді. Екінші заңның көптеген тұжырымдары термодинамикалық тепе-теңдікке ұмтылатын жүйелердегі өтулердің жалпы қайтымсыздығын көрсетеді. Макроскопиялық термодинамикада екінші заң – кез келген нақты термодинамикалық процеске қолданылатын негізгі байқау; статистикалық термодинамикада екінші заң молекулалық хаостың салдары деп постулатталады.
A traditional version of the second law of thermodynamics states: Heat does not spontaneously flow from a colder body to a hotter body. The second law refers to a system of matter and radiation, initially with inhomogeneities in temperature, pressure, chemical potential, and other intensive properties, that are due to internal 'constraints', or impermeable rigid walls, within it, or to externally imposed forces. The law observes that, when the system is isolated from the outside world and from those forces, there is a definite thermodynamic quantity, its entropy, that increases as the constraints are removed, eventually reaching a maximum value at thermodynamic equilibrium, when the inhomogeneities practically vanish. For systems that are initially far from thermodynamic equilibrium, though several have been proposed, there is known no general physical principle that determines the rates of approach to thermodynamic equilibrium, and thermodynamics does not deal with such rates. The many versions of the second law all express the general irreversibility of the transitions involved in systems approaching thermodynamic equilibrium. In macroscopic thermodynamics, the second law is a basic observation applicable to any actual thermodynamic process; in statistical thermodynamics, the second law is postulated to be a consequence of molecular chaos.
Үшінші заң
Термодинамиканың үшінші заңы былай гласит: Жүйенің температурасы абсолюттік нөлге жақындағанда, барлық процестер тоқталады және жүйенің энтропиясы ең төменгі мәнге жақындайды. Термодинамиканың бұл заңы – энтропияға және температураның абсолюттік нөлге жете алмайтынына қатысты табиғаттың статистикалық заңы. Бұл заң энтропияны анықтау үшін абсолюттік анықтамалық нүкте ұсынады. Осы нүктеге шаққанда анықталған энтропия абсолюттік энтропия деп аталады. Басқаша айтқанда, "барлық жүйелердің және жүйелердің барлық күйлерінің энтропиясы абсолюттік нөлде ең аз болады" немесе "шекті сандағы процестердің көмегімен температураның абсолюттік нөліне жету мүмкін емес". Абсолюттік нөл – барлық қозғалыс тоқтатылатын температура, ол -273,15 °C (Цельсий градусы), немесе -459,67 °F (Фаренгейт градусы), немесе 0 K (кельвин), немесе 0°R (Ранкин градусы) құрайды.
The third law of thermodynamics states: As the temperature of a system approaches absolute zero, all processes cease and the entropy of the system approaches a minimum value. This law of thermodynamics is a statistical law of nature regarding entropy and the impossibility of reaching absolute zero of temperature. This law provides an absolute reference point for the determination of entropy. The entropy determined relative to this point is the absolute entropy. Alternate definitions include "the entropy of all systems and of all states of a system is smallest at absolute zero," or equivalently "it is impossible to reach the absolute zero of temperature by any finite number of processes". Absolute zero, at which all activity would stop if it were possible to achieve, is −273.15 °C (degrees Celsius), or −459.67 °F (degrees Fahrenheit), or 0 K (kelvin), or 0° R (degrees Rankine).
Аспаптар
Термодинамикалық аспаптардың екі түрі бар: өлшегіш және резервуар. Термодинамикалық өлшегіш – термодинамикалық жүйенің кез келген параметрін өлшейтін кез келген құрылғы. Кейбір жағдайларда термодинамикалық параметр идеалданған өлшеу құралы түрінде анықталады. Мысалы, бірінші заңда егер екі дене үшінші денемен жылулық тепе-теңдікте болса, олар бір-бірімен де жылулық тепе-теңдікте болады делінеді. Бұл принципті 1872 жылы Джеймс Максвелл атап өткендей, температураны өлшеуге болады. Идеалдық термометр – тұрақты қысымдағы идеалдық газдың үлгісі. Идеалдық газ заңы pV=nRT бойынша, мұндай үлгінің көлемін температураның көрсеткіші ретінде пайдалануға болады; осылайша ол температураны анықтайды. Қысым механикалық түрде анықталғанымен, барометр деп аталатын қысымды өлшейтін құрылғыны тұрақты температурада ұсталатын идеалдық газдың үлгісінен жасауға болады. Калориметр – жүйенің ішкі энергиясын өлшеу және анықтау үшін қолданылатын құрылғы. Термодинамикалық резервуар – қызығушылық тудыратын жүйемен байланысқа келгенде оның күй параметрлері айтарлықтай өзгермейтіндей үлкен жүйе. Резервуар жүйемен байланысқа келгенде, жүйе резервуармен тепе-теңдікке енеді. Мысалы, қысым резервуары – белгілі бір қысымдағы жүйе, ол механикалық түрде қосылған жүйеге сол қысымды жүктейді. Жер атмосферасы көбінесе қысым резервуары ретінде қолданылады. Мұхит электр станцияларын салқындату үшін пайдаланылғанда температура резервуары ретінде әрекет ете алады.
There are two types of thermodynamic instruments, the meter and the reservoir. A thermodynamic meter is any device which measures any parameter of a thermodynamic system. In some cases, the thermodynamic parameter is actually defined in terms of an idealized measuring instrument. For example, the zeroth law states that if two bodies are in thermal equilibrium with a third body, they are also in thermal equilibrium with each other. This principle, as noted by James Maxwell in 1872, asserts that it is possible to measure temperature. An idealized thermometer is a sample of an ideal gas at constant pressure. From the ideal gas law pV=nRT, the volume of such a sample can be used as an indicator of temperature; in this manner it defines temperature. Although pressure is defined mechanically, a pressure measuring device, called a barometer may also be constructed from a sample of an ideal gas held at a constant temperature. A calorimeter is a device which is used to measure and define the internal energy of a system. A thermodynamic reservoir is a system which is so large that its state parameters are not appreciably altered when it is brought into contact with the system of interest. When the reservoir is brought into contact with the system, the system is brought into equilibrium with the reservoir. For example, a pressure reservoir is a system at a particular pressure, which imposes that pressure upon the system to which it is mechanically connected. The Earth's atmosphere is often used as a pressure reservoir. The ocean can act as temperature reservoir when used to cool power plants.
Термодинамиканың аксиомасы
Аксиомалық термодинамика – термодинамиканы қатаң аксиомалар негізінде сипаттауға бағытталған математикалық ғылым, мысалы, термодинамиканың белгілі заңдарын математикалық тұрғыдан нақты айқындаудың жолын табу. Термодинамиканың аксиоматикалық теориясын жасауға жасалған алғашқы тырастың бірі – Константин Каратеодоридің 1909 жылғы «Термодинамика негіздерін зерттеу» жұмысы болды, онда Пфаффиандық жүйелер және Каратеодоридің өзі енгізген адиабатикалық қолжетімділік ұғымы пайдаланылды. Бұл тұжырымдамада жылу, энтропия және температура сияқты термодинамикалық ұғымдар тікелей өлшенетін шамалардан туындайды. Ал одан кейінгі теориялардың ерекшелігі – олар тек жақын күйлерді қарастырумен шектеліп қалмады, сонымен қатар кез келген бастапқы және соңғы күйлері бар термодинамикалық процестер туралы болжамдар жасады.
Axiomatic thermodynamics is a mathematical discipline that aims to describe thermodynamics in terms of rigorous axioms, for example by finding a mathematically rigorous way to express the familiar laws of thermodynamics. The first attempt at an axiomatic theory of thermodynamics was Constantin Carathéodory's 1909 work Investigations on the Foundations of Thermodynamics, which made use of Pfaffian systems and the concept of adiabatic accessibility, a notion that was introduced by Carathéodory himself. In this formulation, thermodynamic concepts such as heat, entropy, and temperature are derived from quantities that are more directly measurable. Theories that came after, differed in the sense that they made assumptions regarding thermodynamic processes with arbitrary initial and final states, as opposed to considering only neighboring states.