Концептуальные основания физики, страница 12

А) Общая характеристика термодинамики. Когда от изучения феномена движения физика переходит к более глубокому уровню – феномену энергии, возникает новый раздел физического знания – термодинамика. Достаточно абстрактное понятие энергии заменяет достаточно очевидное понятие силы. Физическое исследование обращается к тепловым явлениям, и центральное место в физике занимают законы охранения, важнейшим среди которых является закон сохранения энергии.

Тогда важнейшими понятиями становятся понятия: теплота – энергия движения молекул покоящегося тела, «работа» (А) – мера действия силы, количество теплоты (Q) – мера изменения внутренней энергии тела и энергия (Е) – общая количественная мера различных форм движения материи. Предметом физики становятся системные объекты.

Термодинамика – наука, изучающая наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия и процессы перехода между этими состояниями. Неравновесные системы изучаются особой термодинамикой неравновесных систем.

Термодинамическая система – макроскопическая система, выделенная из окружающей среды при помощи перегородок и оболочек, которую можно охарактеризовать таким макроскопическими параметрами как: объем, температура,  давление и др. Наличие этих параметров говорит о том, что термодинамическая система должна состоять из большого числа частиц.  

Три начала термодинамики:

1. О том, что энергия сохраняется, но в изолированной системе. (Переформулированный закон сохранения энергии.) При сообщении телу некоторого количества теплоты, она преобразует внутреннюю энергию тела и обеспечивает совершение определенного количества работы.

2. О том, что энергия сохраняется в принципе, в природе в целом, но не в отдельной системе, поскольку изолированных систем не существует. В замкнутой термодинамической системе энтропия остается неизменной или возрастает и в состоянии равновесия достигает максимума Невозможен переход теплоты от более холодных к более теплым телам. Невозможно построит вечный двигатель  второго рода (тепловую машину, которая в результате совершения кругового процесса, полностью преобразует теплоту, получаемую от какого-либо одного неисчерпаемого источника в работу).

3. О свойствах веществ при низких температурах. Энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной. Недостижим абсолютный нуль температуры при конечной последовательности термодинамических процессов. Невозможно создать вечный двигатель первого рода (непрерывно действующую машину, которая, будучи раз запущенной, совершала бы работу без получения энергии извне).

Б) Понятие энтропии и негэнтропии. Энтропия(S) (от гр.: поворот, превращение) – функция состояния термодинамической системы, мера вероятности пребывания системы в данном состоянии. Энтропия пропорциональна числу микросостояний, реализующих данное макросостояние. Чем больше это число, тем выше величина вероятности достижения именно такого макросостояния.

Закон возрастания энтропии выражает необходимость перехода системы в наиболее вероятное состояние, для которого характерна максимальная степень неупорядоченности. Изменение энтропии определяется отношением количества теплоты подведенной к – или отведенной от – системы  к ее термодинамической температуре.

Можно сказать, что при изучении термодинамических процессов обнаруживается совершенно необычный эффект, сопровождающий особый вид движений – тепловых изменений, который и был назван энтропией. Тепло никогда совершенно не переходит в механическую работу, а частично преобразуется в другие виды энергии, и частично «теряется». В замкнутой системе при обратимых процессах величина энтропии остается неизменной, при необратимых, наоборот, неуклонно возрастает, причем этот прирост происходит за счет уменьшения механической энергии.