ГЛАВА ПЕРВАЯ. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ
1.1. Предмет термодинамики
Исторически сложившееся наименование «термодинамика» плохо отвечает содержанию предмета. Оно даже способно ввести в заблуждение. Судя по названию, можно подумать, что термодинамика изучает законы движения теплоты. Но это вовсе не так. Явления теплопередачи, теплопроводности классической термодинамикой совсем не рассматривались. Вопрос о быстроте или длительности процессов для термодинамики чужд. Понятие о времени в] классическую термодинамику не вводилось; оно применялось только в не очень удачных термодинамических теориях кинетики процессов и используется сейчас в одном из новых направлений термодинамики — в термодинамике необратимых процессов.
Первое сочинение по термодинамике, опубликованное ее основателем Сади Карно в 1824 г., было озаглавлено «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Ряд последующих сочинений различных авторов был посвящен тому же вопросу, но поставленному уже шире, — вопросу о возникновении «движущих сил» (механических, электрических и др.) при тепловых процессах.
Учитывая историю происхождения слова «термодинамика» (от греческого therme - теплота и dynamis - сила), это слово надо расшифровывать так: наука «о силах, связанных с теплом» (но вовсе не о движении тепла).
Было предложено вместо названия «термодинамика» употреблять другое: «термостатика» (Констамм, 1927). Это название, пожалуй, еще более неудачно. Оно, правда, не вызывает неуместного представления о движении теплоты. Зато оно побуждает думать, что речь идет исключительно о тепловом равновесии. В действительности же многие вопросы в термодинамике рассматриваются как раз с целью определить направление и энергетический эффект процессов, возникающих, когда теплового равновесия не существует.
В термодинамике есть главы, где центром внимания и предметом изучения служат электрическая энергия, энергия химического взаимодействия тел, лучистая энергия или другие виды энергии. На этом основании было предложено название «термодинамика» заменить термином «энергетика». Но и это название неудачно. Оно как бы предуказывает, что в термодинамике может идти речь только об энергии, тогда как в действительности важнейшие главы термодинамики посвящены изучению свойств вещества.
Какие же именно факты составляют предмет термодинамического исследования? Соответствует ли действительности утверждение, которое можно встретить в некоторых книгах, что термодинамика есть наука о тепловых явлениях? Нет, и это не совсем верно. Исторически действительно термодинамика возникла в результате требований, предъявленных к физике со стороны теплотехники. Но она давно переросла эти требования.
Понятие «теплота» для термодинамики столь же существенно, как и понятие «работа». Но оба они играют хотя и важную, однако все же вспомогательную роль; они служат мостом от эмпирического базиса термодинамики к фактам, подлежащим исследованию, и ни в какой мере не определяют предмета термодинамики.
Предметом изучения термодинамики служат все факты физики и химии, которые представляют собой статистически закономерный результат молекулярных и атомных явлений. Типичными примерами фактов, подлежащих термодинамическому исследованию, являются: неупорядоченное проникновение молекул одного вещества в гущу молекул другого (растворение, абсорбция); охлаждение и нагревание, сопровождающиеся изменением интенсивности движения отдельных элементарных частиц вещества; химические реакции; кристаллизация, плавление, испарение и т. д.
Поэтому область термодинамики ограничена в отношении размеров исследуемых тел. Они должны быть достаточно велики, чтобы было обеспечено выравнивание случайных событий микромира. Этому требованию удовлетворяют, впрочем, даже весьма малые, с нашей точки зрения, тела, так как уже в одной булавочной головке содержится молекул больше, чем ведер воды в Каспийском море. Однако благодаря прогрессу экспериментальной техники (микроскопы, ультрамикроскопы и т. д.) нашему изучению стали доступны крупицы вещества, слагающиеся из сравнительно небольшого числа частиц. Понятно, что для выяснения свойств каждой такой крупицы, взятой в отдельности, законы статистики уже не пригодны. Поэтому к таким крупицам вещества не применимы и законы термодинамики (вытекающие из второго начала).
Свойства обширной совокупности частиц (свойства «целого») не являются простой суммой свойств отдельных молекул (свойств «составных частей»). На некоторой ступени нарастания числа частиц в, агрегате рождается новое «качество». Понятие «качество» в философии означает всю совокупность основных, неотъемлемых свойств предмета, в силу которых этот предмет мы выделяем из ряда остальных. По определению Гегеля «качество есть неразрывная с конкретным бытием определенность». Термодинамические законы, вытекающие из второго начала, не применимые к отдельным молекулами ультрамикроскопическим крупицам вещества, на некоторой ступени сочленения молекул вступают в свои права. Итак, термодинамика изучает только тела конечных (не элементарно малых) размеров.
