§ 1. Основные понятия термодинамики
Термодинамика, или механическая теория теплоты, основана на двух основных принципах: на первом начале — законе сохранения энергии, и на втором начале.
Мы начнем с рассмотрения первого из этих принципов и прежде всего дадим несколько кратких разъяснений основных понятий.
Количество теплоты. Поскольку теплоту следует рассматривать как один из видов энергии, то из закона сохранения этой последней вытекает, что внутреннюю энергию тела можно увеличить или уменьшить двумя способами. Во-первых, предоставляя это тело действию внешних сил, производящих над ним положительную или отрицательную работу, и во-вторых, сообщая этому телу извне или отнимая теплоту. Опыт учит нас, что в наших наблюдениях мы всегда можем различить эти два вида процессов, что, однако, нисколько не мешает нам рассматривать их как процессы существенно одинаковые. Тепловой обмен между двумя телами, таким образом, связывается в нашем представлении — как того и требует молекулярная теория — с работой сил взаимодействия между мельчайшими частицами обоих соприкасающихся тел. Мы будем впредь всегда предполагать, что, имея достаточные сведения о явлении, мы, во-первых, всегда сможем с уверенностью сказать, какой из этих двух процессов имеет место, а во-вторых, сможем определить на основании наблюдений рассматриваемое количество теплоты.
Внутренняя энергия. Внутренняя энергия системы зависит только от ее состояния в данный момент и не зависит от процесса, которым система была приведена в это состояние. Следовательно, внутренняя энергия есть функция только величин, определяющих состояние системы. Чтобы выразить внутреннюю энергию системы в каком-либо ее состоянии определенным числом, необходимо выбрать некоторое «нормальное состояние», для которого энергия системы принимается равной нулю. Это состояние может быть выбрано произвольно. Разность энергий какой-либо системы в двух состояниях А и В не будет зависеть от выбора нормального состояния, а будет функцией лишь самих состояний А и В. О количестве теплоты, полученном телом при переходе из состояния А в состояние В, того же утверждать нельзя, так как количество теплоты зависит не только от начального и конечного состояний процесса, но также и от самого хода процесса.
Равновесные состояния. Обратимые процессы. Под равновесным состоянием системы мы понимаем состояние, в котором она может находиться неопределенно долго. В подобном состоянии все доступные наблюдению величины, характеризующие систему, например, ее размеры или интенсивность приложенных к системе внешних сил, остаются постоянными. Отсюда следует, что в равновесном состоянии внутренняя энергия также неизменна.
Далее, мы можем представить себе, что данная система путем постепенного изменения внешних сил и сообщения или отнятия соответствующего количества теплоты прошла ряд равновесных состояний, вытекающих непрерывно одно из другого. Это возможно только при условии, что процесс является чрезвычайно медленным. Точнее, мы должны рассматривать предельный случай, к которому сколь угодно приближаются явления по мере того, как они происходят все медленнее и медленнее. Тогда только мы и можем пренебречь отклонениями от равновесия, которых нельзя избежать при быстрых изменениях.
То, что процесс, состоящий из одних только равновесных состояний, может идти также и в обратном направлении, представляется очевидным. Далее, если для перевода при помощи такого процесса системы из состояния А в состояние В требуется затрата некоторого количества теплоты, то при обратном процессе точно такое же количество теплоты должно быть отнято от системы.
Это непосредственно следует из закона сохранения энергии: в обоих процессах работа внешних сил и изменение внутренней энергии одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку.
В дальнейшем теплота, сообщенная системе извне, будет считаться положительной, а теплота, отданная системой, — отрицательной.
