ВВЕДЕНИЕ
Предмет и метод термодинамики
Термодинамика представляет собой раздел теоретической физики и занимается изучением общих свойств физических и химических систем при равновесии. Кроме того, она рассматривает также общие закономерности, которые имеют место при установлении равновесия в системах.
Термодинамика исторически возникла как раздел физического учения о превращении теплоты в механическую работу. В настоящее время термодинамический метод исследования имеет широкое применение в различных разделах физики и физической химии. В зависимости от задач исследования термодинамику делят на физическую, химическую и техническую.
Физическая термодинамика изучает общие теоретические основы термодинамики, ее аксиоматику, а также устанавливает методы термодинамического исследования различных свойств изучаемых тел (систем).
Химическая термодинамика использует теоретические основы термодинамики и ее метод при исследовании химического и фазового равновесий, а также применяется при расчетах тепловых эффектов химических реакций.
Техническая термодинамика использует основные законы термодинамики при изучении взаимного превращения теплоты и работы. Основная цель ее — разработка теории тепловых двигателей.
В термодинамике применяются два метода исследования: метод круговых процессов и метод термодинамических функций и геометрических построений. Последний метод был разработан в классических работах Гиббса и получил за последнее время наибольшее распространение, так как он дает большие по сравнению с первым методом результаты.
Метод круговых процессов (принадлежащий Карно и Клаузиусу) позволил обосновать второй закон термодинамики, который приводит к определению абсолютной температуры и энтропии сначала для идеальных газов, а затем для любого вещества. Кроме того, метод круговых процессов позволяет доказать недостижимость абсолютного нуля температуры.
В работах Гельмгольца, Шиллера, а позднее Каратеодори и Афанасьевой-Эренфест аналитически было показано, что для определения абсолютной температуры и энтропии при равновесных процессах не требуется ни рассмотрения круговых процессов, ни допущения существования идеальных газов. Доказательство Шиллера — Каратеодори о существовании энтропии и абсолютной температуры основано на голономности дифференциального уравнения для количества теплоты.
Хотя в настоящей книге используются оба метода, однако предпочтение отдается методу термодинамических функций.
Термодинамика, в отличие от статистической физики, не базируется на определенной модели строения вещества, а исходит из небольшого числа весьма общих законов, полученных экспериментально. Оба метода исследования не исключают друг друга, а, наоборот, дополняют.
Основой термодинамического метода являются следующие общие законы:
1. Закон сохранения и превращения энергии.
2. Второй закон термодинамики, который утверждает, что теплота самопроизвольно не может переходить от тел менее нагретых к телам более нагретым. Этот закон определяет направление, по которому протекают процессы в природе; второй закон термодинамики имеет более ограниченную сферу применения, чем закон сохранения и превращения энергии.
3. Третий закон термодинамики, постулирующий, что абсолютный нуль температуры недостижим. Закон этот имеет еще более ограниченное значение, чем второй и особенно первый законы термодинамики.
Основное содержание и ценность термодинамического метода исследования состоит в том, что он, используя основные начала (законы) термодинамики, позволяет установить теоретическим путем ряд закономерностей изменения различных свойств тел.
Кроме указанных выше законов термодинамики, необходимо знать также уравнение состояния, которое может быть получено либо из молекулярно-кинетической теории, либо опытным путем.
