Закони термодинаміки і їх опис

Закони термодинаміки називають також її началами. Насправді початок термодинаміки представляє собою не що інше, як сукупність тих чи інших постулатів, які лежать в основі відповідного розділу молекулярної фізики. Дані положення встановлювали протягом наукових досліджень. У той же час вони були доведені експериментальним шляхом. Чому ж закони термодинаміки приймають за постулати? Вся справа в тому, що таким чином термодинаміку можна будувати аксіоматичним шляхом.

Основні закони термодинаміки

Трохи про структуризацію. Закони термодинаміки поділяються на чотири групи, кожна з яких має певний сенс. Отже, що можуть розповісти нам початку термодинаміки?

Перше і друге

Перший початок розповість про те, як застосовується закон збереження енергії по відношенню до тієї чи іншої термодинамічної системи. Другий закон висуває деякі обмеження, які застосовуються до напрямів термодинамічних процесів. Більш конкретно, вони забороняють мимовільно передачу тепла, що здійснюються від менш нагрітого до більш нагрітого тіла. Є в другого закону термодинаміки і альтернативна назва: закон зростання ентропії.

Третє і четверте

Третій закон описує поведінку ентропії поблизу абсолютного температурного нуля. Є ще один початок, останнє. Воно носить назву "нульовий закон термодинаміки". Сенс його полягає в тому, що будь-яка замкнута система прийде до стану термодинамічної рівноваги і з нього вийти вже самостійно не зможе. При цьому її початковий стан може бути будь-яким.

Навіщо потрібні початку термодинаміки?

Закони термодинаміки були вивчені для того, щоб описувати макроскопічні параметри тих чи інших систем. При цьому конкретні пропозиції, які мають зв`язок з мікроскопічним пристроєм, не висуваються. Це питання вивчається окремо, але вже іншим відгалуженням науки - статистичною фізикою. Закони термодинаміки незалежні один від одного. Що це може означати? Це потрібно розуміти так, що жодне початок термодинаміки з іншого вивести неможливо.

Перший початок термодинаміки

Як відомо, термодинамічна система характеризується кількома параметрами, в числі яких є і внутрішня енергія (позначається буквою U). Остання формується з кінетичної енергії, яку мають всі частинки. Це може бути енергія поступального, а також коливального і обертального руху. На цьому моменті згадаємо про те, що енергія може бути не тільки кінетичної, а й потенційної. Так ось, в разі ідеальних газів потенційної енергією нехтують. Саме тому внутрішня енергія U буде складатися виключно з кінетичної енергії руху молекул і залежати від температури.

Ця величина - внутрішня енергія - називається іншими словами функцією стану, оскільки вона визначається станом термодинамічної системи. У нашому випадку вона визначається температурою газу. Слід зазначити, що внутрішня енергія не залежить від того, яким був перехід в стан. Припустимо, що термодинамічна система здійснює круговий процес (цикл, як його називають в молекулярної фізики). Іншими словами, система, вийшовши з початкового стану, піддається певним процесам, але в результаті повертається в первинний стан. Тоді неважко здогадатися, що зміна внутрішньої енергії дорівнюватиме 0.

Як змінюється внутрішня енергія?

Змінити внутрішню енергію ідеального газу можна двома способами. Перший варіант - зробити роботу. Другий - повідомити системі ту чи іншу кількість теплоти. Логічно, що другий спосіб має на увазі не тільки повідомлення теплоти, але і її відібрання.

Формулювання першого закону термодинаміки

Їх (формулювань) може бути кілька, так як всі люблять говорити по-різному. Але насправді суть залишається тією ж. Вона зводиться до того, що кількість теплоти, яке було підведено до термодинамічної системи, витрачається на вчинення ідеальним газом механічної роботи і зміна внутрішньої енергії. Якщо говорити про формулу або математичного запису першого закону термодинаміки, то вона виглядає наступним чином: dQ = dU + dA.

- Всі величини, які входять до складу формули, можуть мати різні знаки. Ніщо не забороняє їм бути негативними. Припустимо, що до системи підводиться кількість теплоти Q. Тоді газ буде нагріватися. Зростає температура, а значить, збільшується і внутрішня енергія газу. Тобто і Q, і U матимуть позитивні значення. Але якщо внутрішня енергія газу збільшується, він починає вести себе активніше, розширюватися. Отже, робота також буде позитивною. Можна сказати, що роботу виконує сама система, газ.

- У разі якщо у системи забирають певну кількість теплоти, внутрішня енергія зменшується, а газ стискається. У такому випадку можна говорити вже про те, що роботу здійснюють над системою, а не вона сама. Припустимо знову, що деяка термодинамічна система здійснює цикл. В такому випадку (як уже було сказано раніше) зміна внутрішньої енергії дорівнюватиме 0. Значить, робота, що здійснюються газом або над ним, буде чисельно дорівнює підведеної або відведеної до системи теплоті.

- Математичний запис цього слідства називають ще одним формулюванням першого початку термодинаміки. Приблизно вона звучить наступним чином: "В природі неможливе існування двигуна першого роду, тобто, двигуна, який здійснював би роботу, що перевершує отриману ззовні теплоту".

Другий закон термодинаміки

Неважко здогадатися, що термодинамічна рівновага характерно для системи, в якій макроскопічні величини залишаються незмінними в часі. Це, звичайно ж, тиск, об`єм і температура газу. Їх незмінність може бути побудована на декількох умовах: на відсутності теплопровідності, хімічних реакцій, дифузії та інших процесів. Якщо під дією зовнішніх факторів система була виведена з термодинамічної рівноваги, вона до нього з часом повернеться. Але якщо ці чинники будуть відсутні. Причому відбудеться це мимовільно.

Ми підемо трохи іншим шляхом, відмінним від того, що рекомендують багато підручників. Для початку ознайомимося з другим початком термодинаміки, а вже потім розберемося, що за величини в нього входять, і що вони позначають. Отже, в замкнутій системі при наявності будь-яких протікають в ній процесів ентропія не убуває. Записується другий початок термодинаміки в такий спосіб: dS> (=) 0. Тут знак> буде пов`язаний з необоротним процесом, а знак = - з оборотним.

Що ж називається в термодинаміки оборотним процесом? А це такий процес, при якому система повертається (через низку якихось процесів) до свого первісного стану. Причому в цьому випадку ні в системі, ні в навколишньому середовищу ніяких змін не залишається. Іншими словами, оборотний процес - це такий процес, для якого можливе повернення в початковий стан через проміжні стани, ідентичні прямому процесу. У молекулярної фізики таких процесів дуже мало. Наприклад, перехід кількості теплоти від більш нагрітого тіла до менш нагрітого буде незворотним. Аналогічно і в випадку дифузії двох речовин, а також поширення газу на весь обсяг.

ентропія

Ентропія, що має місце в другому законі термодинаміки, дорівнює зміні кількості теплоти, поділеній на температуру. Формула: dS = dQ / T. Вона має певні властивості.