Первое и второе начало термодинамики

Прежде чем рассмотреть первое и второе начало термодинамики, необходимо определиться, что именно понимают под термином «термодинамика». В данном случае слово говорит само за себя: в нем нетрудно определить два других – «термо» и «динамика». При переводе с греческого получается «тепло, температура» и «сила, движение, изменение». Другими словами, термодинамика представляет собой один из разделов физики, изучающий особенности преобразования теплоты в другие формы энергии и наоборот. При этом тепловое движение объектов микромира (атомы, молекулы, частицы) не включено в упомянутый раздел и изучается в других областях науки. Термодинамика же имеет дело с целыми макросистемами, для которых характерен объем, давление и пр.

Данная наука основывается на некоторых базовых особенностях (нулевое, первое, второе начало термодинамики), принятых за постулаты. Они были определены экспериментально и подтверждены теоретическими расчетами. Взаимосвязь между ними лишь косвенная, так как непосредственно вывод одного начала из другого выполнить невозможно.

Существует четыре начала – с нулевого по третье. Укажем смысл каждого из них. Нулевое начало термодинамики утверждает, что любая система стремится к термодинамическому равновесию, поэтому при исчезновении внешнего воздействия в конце концов возникает баланс. В нем изолированная система может находиться неограниченное время.

Одно из основных – это первое начало термодинамики. Впервые было сформулировано еще в 19 веке. Фактически представляет собой закон сохранения энергии применительно к происходящим в макросистемах термодинамическим процессам. Кстати, часто именно при помощи этого постулата отрицается возможность существования вечного двигателя, так как для совершения работы необходимо извне сообщать системе дополнительную энергию. Согласно ему, в замкнутой изолированной системе значение энергии всегда остается неизменным.

Второе начало термодинамики знакомо каждому с детства. Согласно ему, тепловая энергия может естественным образом передаваться только в одном направлении – от более нагретого тела к менее нагретому. К примеру, именно поэтому зимой на улице кажется холодно, так как температура окружающей среды ниже, чем у тела человека, что и вызывает теплоотдачу. Второе начало термодинамики является одним из самых известных. Одно из его следствий говорит о том, что вся внутренняя энергия системы не может быть полностью преобразована в полезную работу. Что интересно, второе начало термодинамики математически недоказуемо. Путем постановки множества опытов была выведена данная закономерность, впоследствии принятая за аксиому.

Что является одним из аспектов, характеризующих второе начало термодинамики? Энтропия! Данный термин в переводе с греческого означает «превращение». Энтропия характерная для любой термодинамической системы и является функцией состояния. В общем можно считать, что энтропия указывает на стремление любой системы к неупорядоченности. Р.Клаузиус, предложивший данный термин для термодинамических процессов, в качестве объяснения привел пример с замерзающей водой: представим воду, находящуюся в жидком состоянии на границе нуля градусов по Цельсию. Стоит ей сообщить порцию внешней энергии, достаточную для нарушения равновесия, как жидкость переходит в твердое состояние (лед). При этом благодаря внутреннему изменению структуры выделяется часть энергии. В данном случае речь идет об обратимом процессе. Соответственно, изменение энтропии является отношением общего количества тепловой энергии к абсолютному значению температуры. Одно из следствий указывает, что в замкнутых системах без внешнего воздействия значение энтропии возрастает.