Сущность, предмет и метод термодинамики

1. В современной физике существует два способа описания процессов, происходящих в макроскопических телах: статистический, который рассматривает свойства макроскопических тел исходя из свойств образующих тело частиц и взаимодействий между ними и термодинамический, который рассматривает свойства макроскопических тел и протекающие в них процессы, не вдаваясь в микроскопическую природу тел.

Исследуя свойства тел и происходящие в них процессы с разных точек зрения, статистическая физика и термодинамика взаимно дополняют друг друга, образуя, по существу единое целое.

2. По определению[4] термодинамика (в данном случае имеется виду классическая термодинамика ) есть наука о наиболее общих свойствах макроскопических физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия и о процессах перехода между этими состояниями.

Фундаментальные принципы (начала), на которых строится термодинамика, являются обобщением многочисленных наблюдений и выполняются независимо от конкретной природы образующих систему тел. Поэтому закономерности и соотношения между физическими величинами в термодинамике имеют универсальный характер.

Термодинамика является постулативной наукой. Ее не интересуют конкретные представления о строении системы (вещества) и физическая природа рассматриваемых ею энергопотоков и потоков тепла. Выводы термодинамики основаны на общих принципах или постулатах, которые представляют собой обобщение опытных фактов.

При таком подходе используются понятия и физические величины, относящиеся к системе в целом. Методами термодинамики устанавливаются, например, связи между непосредственно наблюдаемыми макроскопическими характеристиками систем (давлением, объемом температурой и проч.) в различных термодинамических процессах.

Поскольку термодинамика не опирается на модельные представления об атомной структуре вещества, она может применяться для исследования всех систем, для которых справедливы лежащие в ее основе законы.

3. Обоснование законов термодинамики, их связь с законами движения отдельных частиц, из которых построены тела, дается статистической физикой. Она же позволяет выяснить и границы применения термодинамики.

В отличие от термодинамики молекулярная (статистическая) физика исходит из представлений о молекулярном строении вещества. То обстоятельство, что число частиц в макросистеме велико, приводит к новому типу закономерностей, имеющих статистический, то есть вероятностный характер. На основе этих представлений молекулярная физика раскрывает физическую природу величин, которыми оперирует термодинамика. А именно, молекулярная физика позволяет объяснить наблюдаемые свойства макросистем как суммарный эффект взаимодействия отдельных молекул (на основе определенных моделей)

Для этого используется статистический метод, который оперирует не действиями отдельных молекул, а средними значениями определенных величин. С помощью этих средних величин открывается возможность интерпретации наблюдаемых явлений.

Сама молекулярная физика основывается на законах, которым подчиняются атомы и молекулы, то есть законах квантовой физики. Без знания этих законов достаточно корректное изложение современной молекулярной физики оказывается незаконченным и, значит, недостаточно корректным.

4. Таким образом, система физических законов, описывающих динамику систем реального мира, образует строгую иерархию.

В ее основе лежат законы и закономерности квантовой физики, исследующие строение и динамику систем (атомов, молекул, элементарных частиц, полей и т.д.) на фундаментальном уровне строения материи.

Следующим уровнем можно считать молекулярную физику, исследующую закономерности динамики молекул – элементов вещественных систем. Молекулярная физика есть переход на макроуровень исследования систем реального мира.

Третий уровень – термодинамика, рассматривающая вещественный системы и их динамику как целостности.

Разумеется, это весьма упрощенное представление, но на данном уровне анализа оно пока достаточно.

Все три уровня методов исследования взаимосвязаны и дополняют друг друга. Так, применительно к изучению макросистем термодинамический метод характеризуется общностью и позволяет изучать явления без знания их внутренних механизмов (и моделей). Статистический метод позволяет понять суть явлений, установить связь поведения системы в целом с поведением и свойствами отдельных частиц. Их комбинированное применение способствует наиболее эффективному решению той или иной научной проблемы.

5. Исходное понятиетермодинамики – понятие термодинамической системы, под которой понимается совокупность макроскопических тел, которые могут обмениваться энергией между собой и с внешней средой.

Такая система может находиться в разных состояниях, каждое из которых описывается совокупностью параметров (температура, плотность, объем, давление и другие), свойственных только системе в целом и не применимых к характеристике ее отдельных элементов: мы не можем, например, говорить о температуре, давлении или энтропии, применительно к отдельной молекуле. Подобные величины называются параметрами состояния; совокупность значений параметров есть состояние системы.

Отметим некоторые моменты, связанные с понятием термодинамической системы при решении технических задач.

Обычно в этом случае в качестве системы, рассматривается макроскопическое тело, состоящее из множества частиц. При решении технических задач такая система называется рабочим телом. Рабочее тело в технических системах играет роль посредника (агента), с помощью которого осуществляется рабочий процесс в тепловых машинах. В большинстве случаев в качестве агента используется газ.

Реальное рабочее тело может представлять собой как гомогенную, так и гетерогенную систему.

В данном случае гомогенной (однородной) называют систему, состоящую из одной фазы вещества и имеющую одинаковые физические свойства во всех ее частях. Если система не отвечает этим требованиям, ее называют гетерогенной.

Под фазой понимают совокупность всех гомогенных частей системы, которые при отсутствии взаимодействия с окружающей средой являются физически однородными.

Отметим: понятие фазы не совпадает с понятием агрегатного состояния вещества. В пределах одного и того же агрегатного состояния (например, твердого), вещество (например, вода, в данном случае – лед) может иметь несколько фаз.

Поскольку система обменивается с окружающей средой разными потоками (в данном случае – веществом, тепловой энергией, работой), окружающая среда может рассматриваться как некий набор аккумуляторов (резервуаров) работы, теплоты и вещества.

Границу между системой и внешней средой иногда называют контрольной поверхностью. Мы в дальнейшем будем использовать понятие тектологической поверхности, смысл которого будет раскрыт в последующих главах.

Прочие понятия, связанные с термодинамической системой рассмотрим по мере изложения материала.

6. Различные типы состояний термодинамической системы зависят от определенности значений параметров, описывающих ее состояние. При этом те или иные параметры либо вся их совокупность могут быть как одинаковыми для всей системы, так и иметь различные значения в разных ее частях. Следовательно, возможна определенная неравномерность в распределении значений температуры, плотности, давления, концентрации и иных параметров по всему объему системы. Это означает, что с точки зрения системы как целого параметры состояния могут и не иметь определенного значения.

В случае, когда хотя бы один из параметров состояния не имеет определенного значения, мы имеем неравновесное состояние термодинамической системы. Состояние называется равновесным, когда все параметры состояния имеют определенное значение.

При этом равновесие термодинамических систем имеет качественно иной характер, чем равновесие систем механических. В механике равновесие представляет собой состояние, в котором как скорости, так и ускорения всех материальных точек равны нулю. Результирующая сила, действующая на каждую точку в любой момент времени равна нулю. Нарушение такого баланса сил приводит к нарушению равновесия. В отличие от механического равновесия входящие в систему молекулы подвержены действию несбалансированных сил и движутся во всех возможных направлениях, если только их температура не становится чрезвычайно низкой. Поэтому здесь понятие равновесия относится к некоторым коллективным характеристикам системы в целом.

Если термодинамическая система находится в состоянии равновесия, то в равновесии находятся и все ее макроскопические части, чего нельзя сказать о микроскопических частях, то есть элементах системы.

При неизменных внешних условиях такое состояние не меняется со временем, хотя неизменность во времени не является достаточным признаком равновесности состояния.

Таким образом, равновесное состояние полностью характеризуется небольшим числом физических параметров состояния, важнейший из которых – температура (), равенство значений которой для всех частей системы является необходимым условием термодинамического равновесия.

Другие параметры, характеризующие систему – объем , давление , концентрация и некоторые другие.

В простейшем случае однородных тел их состояние полностью фиксируется заданием любых двух из трех физических величин: температуры , объема и давления .

Связь между , и характерна для каждого данного конкретного объекта - твердого тела, жидкости или газа, и называется уравнением состояния. В более сложных случаях для полной характеристики равновесного состояния требуются и другие параметры.

7. Переход системы из неравновесного состояния в равновесное называется процессом релаксации; время, за которое первоначальное отклонение какой-либо величины от равновесного значения уменьшается в раз называется временем релаксации( – основание натуральных логарифмов). Это время зависит от природы тел, взаимодействия их частиц, а также от характера исходного неравновесного состояния. Причем, для каждого параметра время релаксации свое; наибольшее из всех времен представляет собой время релаксации системы как целого.

8. Приведенные определения показывают, чтотермодинамика и общая теория систем, как научные дисциплины имеют много общего:

ü в обоих случаях мы имеем дело с системами, свойства которых не тождественны свойствам составляющих их элементов;

ü обе дисциплины рассматривают наиболее общие свойства систем, как целостностей;

ü в обоих случаях мы имеем дело с наиболее общими универсальными закономерностями, которые выполняются независимо от физической природы составляющих исследуемую систему тел;

ü как в термодинамике, так и в общей теории систем обоснование наиболее общих законов дается другими дисциплинами (в термодинамике – это, прежде всего, статистическая физика, в общей теории систем – весь комплекс общетеоретических и конкретно-научных дисциплин).

Это сходство принципиальных подходов к исследуемым проблемам и дает возможность использовать модели и методы термодинамики к анализу важнейших процессов в системах любой природы.

Более того, следует отметить, что, по-видимому, благодаря этому сходству, многие термины термодинамики прочно вошли в состав категориального аппарата общей теории систем и более частных дисциплин: равновесное и неравновесное состояния, релаксация и т.д.

Но чтобы методологически грамотно использовать терминологию естественных наук при анализе социальных процессов и систем требуется в каждом конкретном случае найти правильную системную интерпретацию термодинамической модели и заложенных в ней параметров.

9. Все сказанное относится к так называемой классической термодинамике или термодинамике равновесных процессов (иногда ее называют термостатикой).

Ее предмет – замкнутые системы, их равновесные состояния и процессы, которые приводят такие системы к равновесию. Классическая термодинамика дает полное количественное описание только обратимых процессов (см. далее), а для необратимых процессов устанавливает лишь определенные неравенства и указывает направления их протекания. В этом ограниченность классической (равновесной) термодинамики.

В то же время, поскольку равновесное состояние есть предельная идеализация, ценность методов классической термодинамики для нас - в установлении границ существования системы и предельных значений ее параметров, что, как указывалось ранее, есть необходимое условие построения и исследования моделей реальных процессов.

10. Дальнейшим развитием классической термодинамики стала термодинамика неравновесных процессов, которую называют также неравновесной термодинамикой или термодинамикой необратимых процессов. Не рассматривая в деталях этот раздел физики, укажем лишь основные особенности термодинамики неравновесных процессов.

Основная задача неравновесной термодинамики – количественное изучение неравновесных процессов для состояний, не сильно отличающихся от равновесных.

В частности, например, одной из задач является определение скоростей неравновесных процессов в зависимости от внешних условий.

При этом системы, в которых протекают неравновесные процессы, рассматриваются как непрерывные среды, а их параметры состояния – как полевые переменные, то есть непрерывные функции координат и времени.

Для макроскопического описания неравновесных процессов систему представляют состоящей из элементарных объемов (физически бесконечно малых элементов среды), которые, все же настолько велики, что содержат очень большое число частиц. Состояние каждого выделенного элемента среды характеризуется температурой, плотностью, химическими потенциалами, и другими термодинамическими параметрами, зависящими от координат и времени.

Количественное описание неравновесных процессов заключается в составлении уравнений баланса для элементарных объемов на основе законов сохранения массы, энергии и импульса, а также уравнения баланса энтропии и феноменологических уравнений для рассматриваемых процессов, выражающих потоки массы, импульса и энергии через градиенты термодинамических параметров.

Более детально интересующие нас вопросы термодинамики неравновесных процессов рассматриваются в процессе анализа конкретных проблем.

Основные понятия и параметры,