Основы термодинамики: наблюдательный подход

Введение

Наблюдательная основа термодинамики

Законы термодинамики – это набор научных законов, определяющих группу физических величин, таких как температура, энергия и энтропия, которые характеризуют термодинамические системы в термодинамическом равновесии. Эти законы также используют различные параметры для термодинамических процессов, такие как термодинамическая работа и тепло, и устанавливают связи между ними. Они формулируют эмпирические факты, которые служат основой для исключения возможности определенных явлений, например, вечного двигателя. Помимо применения в термодинамике, они являются важными фундаментальными законами физики в целом и применимы в других естественных науках. Традиционно в термодинамике выделяют три фундаментальных закона, обозначенных порядковыми номерами: первый закон, второй закон и третий закон. Более фундаментальное утверждение позднее было названо нулевым законом, после того как первые три закона были установлены. Нулевой закон термодинамики определяет тепловое равновесие и является основой для определения температуры: если две системы находятся в тепловом равновесии с третьей системой, то они находятся в тепловом равновесии друг с другом. Первый закон термодинамики утверждает, что при поступлении или оттоке энергии из системы (в виде работы, тепла или вещества) внутренняя энергия системы изменяется в соответствии с законом сохранения энергии. Второй закон термодинамики утверждает, что в естественном термодинамическом процессе сумма энтропий взаимодействующих термодинамических систем никогда не уменьшается. Распространенным следствием этого утверждения является то, что тепло не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более теплому. Третий закон термодинамики утверждает, что энтропия системы стремится к постоянному значению при приближении температуры к абсолютному нулю. За исключением некристаллических твердых тел (стекол), энтропия системы при абсолютном нуле обычно близка к нулю. Хотя эта формулировка закона является одной из наиболее распространенных, она лишь одна из множества утверждений, обозначаемых как «нулевой закон». Некоторые формулировки идут дальше, подчеркивая важный физический факт, что температура является одномерной величиной и что тела можно концептуально упорядочить в последовательность действительных чисел от более холодного к более теплому. Эти понятия температуры и теплового равновесия являются фундаментальными для термодинамики и были четко сформулированы в девятнадцатом веке. Название «закон нуля» было предложено Ральфом Фаулером в 1930-х годах, спустя долгое время после широкого признания первого, второго и третьего законов. Этот закон позволяет определить температуру нециклическим способом, без обращения к энтропии, ее сопряженной переменной. Такое определение температуры называют «эмпирическим».

The laws of thermodynamics are a set of scientific laws which define a group of physical quantities, such as temperature, energy, and entropy, that characterize thermodynamic systems in thermodynamic equilibrium. The laws also use various parameters for thermodynamic processes, such as thermodynamic work and heat, and establish relationships between them. They state empirical facts that form a basis of precluding the possibility of certain phenomena, such as perpetual motion. In addition to their use in thermodynamics, they are important fundamental laws of physics in general and are applicable in other natural sciences. Traditionally, thermodynamics has recognized three fundamental laws, simply named by an ordinal identification, the first law, the second law, and the third law. A more fundamental statement was later labelled as the zeroth law after the first three laws had been established. The zeroth law of thermodynamics defines thermal equilibrium and forms a basis for the definition of temperature: If two systems are each in thermal equilibrium with a third system, then they are in thermal equilibrium with each other. The first law of thermodynamics states that, when energy passes into or out of a system (as work, heat, or matter), the system's internal energy changes in accordance with the law of conservation of energy. The second law of thermodynamics states that in a natural thermodynamic process, the sum of the entropies of the interacting thermodynamic systems never decreases. A common corollary of the statement is that heat does not spontaneously pass from a colder body to a warmer body. The third law of thermodynamics states that a system's entropy approaches a constant value as the temperature approaches absolute zero. With the exception of non crystalline solids (glasses), the entropy of a system at absolute zero is typically close to zero. Though this version of the law is one of the most commonly stated versions, it is only one of a diversity of statements that are labeled as "the zeroth law". Some statements go further, so as to supply the important physical fact that temperature is one dimensional and that one can conceptually arrange bodies in a real number sequence from colder to hotter. These concepts of temperature and of thermal equilibrium are fundamental to thermodynamics and were clearly stated in the nineteenth century. The name 'zeroth law' was invented by Ralph H. Fowler in the 1930s, long after the first, second, and third laws were widely recognized. The law allows the definition of temperature in a non circular way without reference to entropy, its conjugate variable. Such a temperature definition is said to be 'empirical'.

Второй закон

Второй закон термодинамики указывает на необратимость естественных процессов и во многих случаях на тенденцию естественных процессов к пространственной однородности материи и энергии, особенно температуры. Его можно сформулировать различными интересными и важными способами. Одним из простейших является формулировка Клаузиуса, утверждающая, что тепло не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему. Это подразумевает существование величины, называемой энтропией термодинамической системы. В терминах этой величины это означает, что второй закон применим к широкому кругу процессов, как обратимых, так и необратимых. Согласно второму закону, при обратимой теплопередаче, элемент теплоты, dQ, является произведением температуры T как системы, так и источников или приемников тепла, на приращение dS конъюгированной переменной системы – её энтропии:

Эквивалентно, в термодинамическом процессе энергия рассеивается.