автордың кітабынан сөз тіркестері  Объяснение термодинамики

Дмитрий Коротков

Равновесное состояние рассеивающей системы — это состояние равенства средней по времени энергии у всех её (эффективных) степеней свободы. Это состояние ещё называют термодинамическое равновесие

Термодинамика рассматривает не любые системы со многими степенями свободы, а только такие, которые обладают следующим свойством: при отсутствии внешних воздействий в них с течением времени энергия распределяется по всем степеням свободы

С учётом введённых понятий о температуре и энтропии первое начало термодинамики (4.1) можно записать в виде, называемом основное термодинамическое тождество:

Θ·δZ = d(r·N·Θ) + dUO + δA
(4.3.а)
Раскрывая выражение для внутренней энергии имеем:

Θ·δZ = d(r·N)·Θ + (r·N)·dΘ + dUO + δA

У энтропии имеется ряд полезных свойств. Основным из них является то, что энтропия является функцией состояния системы и сохраняется в т.н. адиабатическом процессе — квазиравновесном процессе, при котором система не обменивается тепловой энергией с внешней средой.

Для рассеивающей системы можно записать закон сохранения энергии – это т.н. «первое начало термодинамики»:

δQ = dUТ + dUО + δA
(4.1) где:
δQ — энергия, полученная системой в результате теплового контакта с другими системами. Также её называют «теплота» или «количество теплоты». Понятие «тепловой контакт» означает неупорядоченное взаимодействие между степенями свободы рассматриваемой системы и внешних систем.
δA — «обычная» работа системы над внешними системами, не связанная с тепловыми контактами. Если она с отрицательным знаком, то это работа внешних систем над рассматриваемой системой.

В рамках классической термодинамики понять физический смысл энтропии невозможно. Самое большее, что можно про неё сказать — она является «координатой состояния теплового взаимодействия» [4]. Рассмотрим уравнение баланса энергии (4.1). Если все величины там можно представить, как дифференциалы, то оно состоит из слагаемых, каждое из которых можно представить, как произведение некоторой величины (её называют «потенциал взаимодействия») на дифференциал некоторой другой величины (её называют «координата состояния»). Например, работа газа определяется в форме: P·dV. Тогда по аналогии можно считать, что величина dQ тоже определяет особое — тепловое взаимодействие. Его потенциал взаимодействия, по-видимому, температура, т.к. разность температур приводит к этому взаимодействию. Тогда у него должна быть и координата состояния — это энтропия.

Однако существуют «концентрирующие» системы, которые могут свою тепловую энергию передавать какой-то одной своей степени свободы. Простейший пример — реактивный ракетный двигатель. Для простоты рассмотрения пусть он работает на сжатом газе, без процессов горения. Хотя изначально частицы газа движутся хаотически, но после выхода из сопла они движутся преимущественно в одном направлении, что и позволяет ракете двигаться в противоположном направлении. К такой системе (пока она работает) принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы не применим, следовательно, не применимо и «второе начало». Действительно, на пути газа в сопле можно поставить, например, турбину и получить механическую энергию, с помощью которой можно нагреть другое тело, например, с помощью трения, до температуры большей, чем температура газа. Вылетающий газ при этом охладится, а в турбине никаких изменений не произойдёт, она может в итоге остановиться в том же положении, в котором была в начале работы.

В традиционном изложении термодинамики выравнивание температур при теплообмене является одним из оснований теории. Это т.н. второе начало термодинамики в формулировке Клаузиуса: теплота не может переходить самопроизвольно от более холодного тела к более тёплому, также невозможен и любой процесс, единственным результатом которого был бы переход теплоты от более холодного тела к более тёплому. Под теплотой здесь следует понимать тепловую энергию.
Действительно, предполагается что рассматриваемые тела имеют температуру, поэтому они являются рассеивающими системами. Предполагается, что в качестве промежуточных звеньев в контакте могут участвовать только рассеивающие системы или нейтральные системы (которые не рассеивают энергию по своим степеням свободы, но и не собирают энергию в какую-то часть из них). В такой системе переход энергии от части с меньшей температурой к части с большей температурой был бы нарушением стремления системы к равномерному распределению её энергии по степеням свободы. Таким образом, в текущем изложении термодинамики «второе начало» является не началом, а следствием.

Внутренняя энергия системы (U) — это сумма всех видов её энергии, включая и тепловую. Это понятие в текущем изложении термодинамики совпадает с традиционным.
Связь между внутренней и тепловой энергиями определим следующим образом:

U = UТ + UО
(2.2) где UО — другие виды внутренней энергии системы, кроме тепловой.

Тепловая энергия рассеивающей системы (UТ) — это энергия неупорядоченного движения её элементов по степеням свободы. Она связана с температурой Θ очевидным соотношением:

UТ = r·N·Θ
(2.1) где:
r — число степеней свободы каждой частицы системы,
N — число частиц в системе.