Первое и второе начала термодинамики

Область применения термодинамики достаточно широкая, т.к. практически нет таких областей физики, химии, биологии, в которых не используются термодинамические методы. Однако, термодинамический метод несколько ограничен, т.к. термодинамика не дает информации о микроскопическом строении вещества, о механизме явлений, а лишь устанавливает связи между макроскопическими параметрами вещества.

Основа термодинамического метода заключается в определении состояния термодинамической системы, представляющей собой совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией друг с другом и с внешней средой. Состояние системы задается термодинамическими параметрами, характеризующими ее свойства. Обычно в качестве параметров состояния выбирают температуру, давление и удельный объем (объем единицы массы).

Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного его термодинамического параметра, называется термодинамическим процессом. Макроскопическая система находится в термодинамическом равновесии, если ее состояние с течением времени не меняется.

Развитие термодинамики было обусловлено проблемой усовершенствования тепловых двигателей (прежде всего – повышения коэффициента полезного действия паровой машины) и представлено работами В. Томсона и Р. Клаузиуса, выполненными в 1852–1854 гг., в которых формулируются основные принципы термодинамики – ее первое и второе начало.

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии в приложении к тепловым процессам:

Q = U +A,

где Q – количество теплоты, сообщенное системе, U – изменение внутренней энергии системы, A – работа, совершенная внешними силами.

Поясним это важный термодинамический принцип. Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией U, складывающейся из энергии теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: путем совершения работыAи путем передаче системе количества теплотыQ за счет теплообмена. Известно, что в процессе превращения энергии должен выполняться закон сохранения энергии, что и объясняет приведенную выше формулировку первого начала термодинамики.

Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. такой двигатель, который совершал бы работу "из ничего", без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу.

Совершенно очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Это означает, что если реализуется какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором проходятся те же тепловые состояния, но только в обратном направлении, практически невозможен.

Приведем два характерных примера необратимых процессов. Если привести в соприкосновение два тела с различной температурой, то более нагретое тело будет отдавать тепло менее нагретому телу. Обратный процесс – самопроизвольный переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому, – никогда не произойдет. Столь же необратимым является и другой процесс – расширение газа в пустоту. Газ, находящийся в части сосуда, отдаленной от другой части перегородкой, заполняет весь сосуд после удаления перегородки. Газ никогда без постороннего вмешательства не соберется самопроизвольно в той же части сосуда, где он находился первоначально.

Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы.

В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакую работу, так как работа связана с механическим движением, т.е. с переходом тепловой энергии в кинетическую.

Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, составляет сущность второго начала термодинамики. Иногда этот принцип выражают в еще более простой форме: тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.

Второе начало термодинамики является эмпирическим, поэтому существует несколько эквивалентных его формулировок: принцип Клаузиуса, принцип Томсона, принцип невозможности создания вечного двигателя второго рода.

Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы для практики вечным двигателем. Второе начало термодинамики исключает возможность создания такого вечного двигателя второго рода.