Статистическая физика и термодинамика

Термодинамика — это физическая наука, которая исследует причины тепловых явлений. Окружающий нас мир непрерывно изменяется, и очень часто эти изменения сопровождаются тепловыми явлениями. Так, при нагревании куска льда солнечными лучами он превращается в воду, т. е. из твердого тела превращается в жидкость. Если воду нагревать дальше, то она превратится в пар, т. е. вещество перейдет в газообразное состояние.

Следует заметить, что выделение тепла происходит во время протекания самых разных физических процессов. Механическое перемещение тела сопровождается трением, а последнее приводит к его нагреванию. Химическая реакция горения сопровождается выделением тепла. Электрический ток в нагревательных приборах создает тепло. Ядерные реакции также сопровождаются тепловыми явлениями.

В связи с этим возникает вопрос: что же такое тепло? Практически до конца XVIII в. ученые считали, что теплота — это особого рода невесомая жидкость, которая передается от одного тела к другому. Такую жидкость называли теплородом. Согласно этой концепции теплота переходит от одного тела к другому, сохраняя свое общее количество, подобно жидкости, переливаемой из одного сосуда в другой. Также полагали, что теплород перетекает по телу подобно тому, как вода течет по трубам. Считалось, что чем больше теплорода в теле, тем выше его температура. С помощью теории теплорода объясняли явление теплового баланса и теплопроводимости. Однако существовали факты, которые не укладывались в теорию теплорода. В частности, было обнаружено, что в случае механического перемещения и сопровождающего его трения количество выделяемого тепла не зависит от объема вещества, но зависит от скорости перемещения и силы трения. Это явление трудно было объяснить с помощью теории теплорода, но зато оно укладывалось в концепцию теплоты как меры движения. Таким образом, противоречие теории теплорода этому факту потребовало создания иной теории тепловых явлений.

Согласно другой теории теплота — это следствие движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура. В рамках этой теории в XIX в. была установлена связь между механической работой и количеством теплоты. Как и механическая работа, количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Выяснилось, что нагревание тела связано не с увеличением в нем количества особой невесомой жидкости, а с увеличением его энергии. Теплоту стали понимать как форму энергии. Такое понимание причины тепловых явлений соответствует современным представлениям и лежит в основе термодинамики.
Исторически термодинамика возникла как наука, изучающая переход теплоты в механическую работу, и представляла собой теорию тепловых машин. Современная термодинамика — это наука, изучающая взаимосвязь между тепловой и другими видами энергии, а также влияние этой связи на свойства физических тел.

В основе термодинамики лежит статистический подход к изучению объектов и процессов, т. е. объекты рассматриваются как целое, без проникновения в их атомно- молекулярную структуру. Поэтому параметры, используемые в термодинамике, могут быть определены только для макрообъектов.

Теоретической основой термодинамики служит молекулярно-кинетическая теория. В основе молекулярно-кинетической теории лежат следующие три положения:

- любое тело (твердое, жидкое или газообразное) состоит из большого числа малых твердых частиц — молекул и атомов;
- молекулы любого вещества находятся в беспорядочном, или хаотическом, движении;
- молекулы взаимодействуют друг с другом, скорость движения молекул зависит от температуры вещества. Движение молекул объясняет явления: диффузии — постепенное перемешивание различающихся веществ вблизи границы их соприкосновения; теплопередачи — постепенное выравнивание температур при соприкосновении горячих и холодных тел, распространения звука — колебание молекул проводящей среды.

Согласно термодинамике всякая система обладает внутренней энергией, которая есть полный запас ее кинетической и потенциальной энергии. Это энергия движения молекул и образующих их частиц, энергия взаимодействия атомов в молекуле, энергия частиц, составляющих атом. При этом внутренняя энергия изолированной системы (т. е. такой, которая не обменивается энергией с окружающей средой) неизменна.

Если система не является изолированной и в результате каких-либо процессов происходит обмен энергией между системой и окружающей средой, то происходит передача энергии. Энергия не может ни бесследно исчезнуть, ни появиться «из ничего».


Обобщение обширных экспериментальных данных показывает, что в макроскопических системах существует два способа обмена энергией между системой и окружающей средой: в форме тепла Q и в форме работы А. Под теплотой понимают совокупность микрофизических способов передачи энергии вследствие хаотического движения частиц. Под работой понимают любую макрофизическую, т. е. упорядоченную, форму передачи энергии. При этом в неизолированной термодинамической системе изменение внутренней энергии U всегда равно сумме количества теплоты Q, переданного системе, и работы А внешних сил: U = Q + А. Это утверждение есть первое начало термодинамики. Первое начало термодинамики — это закон сохранения энергии, выраженный на языке термодинамики. Из первого начала термодинамики следует невозможность создания вечного двигателя первого рода, т. е. такого, который совершал бы работу «из ничего», без приложения внешнего источника энергии. Из первого начала также следует, что коэффициент полезного действия (отношение произведенной работы к затраченной энергии) любой тепловой машины не только не может превосходить 100%, но всегда оказывается меньше этого значения, так как при выполнении работы часть энергии всегда «теряется», превращаясь в тепло.