Базаров И.П. Термодинамика (Базаров И.П. Термодинамика.djvu), страница 2

Термодинамика и статистическая физика рассматривают явления, обусловленные совокупным действием огромного числа непрерывно движущихся молекул или других частиц, из которых состоят окружающие нас тела. Благодаря очень большому количеству частиц беспорядочное их движение приобретает новые качества: макроскопические свойства систем из большого числа частиц в обычных условиях совершенно не зависят от начального положения этих частиц, в то время как механическое состояние системы существенно зависит от начальных условий. Это один из примеров диалектического закона перехода количественных изменений в качественные: возрастание количества механически движущихся частиц в системе порождает качественно новый вид движения — тепловое движение.

Тепловое движение представляет собой изменения системы, обусловленные ее атомистическим строением и наличием огромного числа частиц; оно связано с молекулярным механическим движением, но этим не исчерпывается его сущность. «Всякое движение,— писал Ф. Энгельс,— заключает в себе механическое движение, перемещение больших или мельчайших частей материи; познать эти механические движения является первой задачей науки, однако лишь первой ее задачей. Но это механическое движение не исчерпывает движения вообще.

Движение — это не только перемена места; в надмеханических областях оно являешься также и изменением качества. Открытие, что тепло~а представляет собою некоторое молекулярное движение, составило эпоху в науке. Но если я не имею ничего другого сказать о теплоте кроме того, что она представляет собой известное перемещение молекул, то лучше мне замолчать»*'. Определяющим для возникновения теплового движения является не механическое движение отдельных частиц системы, а существование коллектива большого числа частиц. Действительно, закономерности теплового движения проявляются не только в атомно-молекулярных совокуп- " Энгельс Ф. Диалектика природы.

М., !982. С. 219. ностях, но и в таких системах, как электромагнитное излучение, заключенное в некотором объеме (см. ~ 54)*'. Термодинамика и статистическая физика изучают тепловую форму движения материи. Их основное содержание составляет рассмотрение закономерностей теплового движения в системах, находящихся в тепловом равновесии (см. Ч ! ), когда в них отсутствуют макроскопические перемещения одной части относительно другой, а также закономерностей при переходе систем в равновесное состояние**'. Отсюда видно, что предмет изучения термодинамики и статистической физики один и тот же.

Существенное отличие их друг от друга состоит в методах исследования, поэтому они излагаются раздельно. В то время как термодинамика изучает свойства равновесных физических систем, исходя из трех основных законов, называемых началами термодинамики, и не использует явно представлений о молекулярном строении вещества, статистическая физика при рассмотрении этих свойств с самого начала опирается на молекулярные представления о строении физических систем, широко применяя методы математической теории вероятностей.

Феноменологический характер термодинамики (ее несвязанность с молекулярно-кинетической сущностью изучаемых ею закономерностей) приводит, с одной стороны, к важным результатам в отношении свойств физических систем, а с другой стороны, ограничивает глубину изучения этих свойств, так как не позволяет вскрыть природу исследуемых явлений. По этой причине наряду с развитием термодинамики формировалась и молекулярно-кинетическая теория свойств физических систем, и все исследователи, имена которых связаны с термодинамикой, уделяли большое внимание молекулярно-кинетическому обоснованию ее результатов. Термодинамика является первым шагом на пути к изучению закономерностей в большом коллективе непрерывно движущихся и взаимодействующих частиц (статиспгических закономерностей); для всестороннего и более полного рассмотрения этих закономерностей необходимо применение статистических методов.

Однако термодинамика относительно самостоятельна. Хотя в конечном итоге все свойства физических систем определяются молекулярным движением в них, термодинамика позволяет установить многие из этих свойств, не прибегая к представлениям о молекулярном строении тел.

Для решения многих практически важных задач достаточны методы термодинамики. Все это обусловливает, с одной стороны, ограниченность термодинамики, *' Тепловым движением обладают системы нз большого числа частиц, отдельные же частицы имеют не тепловое, а механическое движение. *ы Эта часть термодинамики и статистической физики называется равновесной и соответственно статистической термодинамикой. а с другой стороны, наделяет ее определенными преимуществами перед молекулярными теориями. В настоящее время нет никаких оснований для проведения резкой грани между термодинамикой и статистической физикой; тем не менее определенное преимущество термодинамики и особенность ее методов диктуют важность отдельного изложения термодинамики с привлечением необходимых качественных молекулярных представлений.

Она позволяет с помощью своих начал легко учитывать наблюдаемые на опыте закономерности и получать из них фундаментальные следствия. Именно на этом пути в свое время было предсказано вырождение газов при низкой температуре, развита теория фазовых переходов второго рода, формируется термодинамическая теория кинетических явлений в физических системах (неравновеснап термодинамика или термодинамика необратимых процессов). Термодинамика возникла из потребностей теплотехники*'. Развитие производительных сил стимулировало ее создание. Широкое применение в начале Х1Х в. паровой машины поставило перед наукой задачу теоретического изучения работы тепловых машин с целью повышения их коэффициента полезного действия.

Это исследование было проведено в 1824 г. французским физиком, инженером Сади Карно, доказавшим теоремы, определяющие наибольший коэффициент полезного действия тепловых машин. Эти теоремы позволили впоследствии сформулировать один из основных законов термодинамики — второе начало. В 40-х годах Х1Х в. в резуль~а~е исследований Майера и Джоуля был установлен механический эквивалент теплоты и на этой основе открыт закон сохранения и превращения энергии, называемый в термодинамике ее первым началом.

Энгельс назвал его «великим основным законом движения»«*', устанавливающим основные положения материализма. Закон сохранения и превращения энергии имеет как количественную, так и качественную стороны. Количественная сторона закона сохранения и превращения энергии состоит в утверждении, что энергия системы является однозначной функцией ее состояния и при любых процессах в изолированной системе сохраняется, превращаясь лишь в строго определенном количественном соотношении эквивалентности из »' Сложившееся название «термодинамика» употребляется вне связи с понятием динамики н определяет не учение о движении теплоты, а науку о «движущих силах», возникающих при тепловых процессах.

Первое сочинение по термодинамике так и называлось «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (Сади Карно, 1824). Здесь под «движущей силой» понималось полезное действие (работа), которое двигатель может дать за счет теплоты. Таким образом, термодинамика †нау о законах теплового движения (термо) и его превращениях (динамика) в другие виды движения. Отсюда видно, что предложения о названии классической (равновесной) термодинамики «термостатикой», «термофизикой» не имеют оснований.

*«' Энгельс Ф. Анти-Дюринг. М., 1977. С. 9. 1О одного вида в другой; качественная сторона этого закона состоит в никогда не утрачиваемой способности материального движения ко все новым и новым превращениям. Хотя закон сохранения и превращения энергии (как и само понятие энергии — меры движения) применим только к физическим формам движения (см. 8 2) и неприменим к высшим формам движения материи (биологическое и общественное движение), тем не менее он имеет всеобщее значение. Это следует из общности физических форм движения: всякая более высокая форма движения материи содержит в себе физические формы движения, хотя и не сводится к ним.

И если при превращении одной физической формы движения в другую одна из них исчезает (частично или полностью), а вторая количественно увеличивается (превращение механического движения в тепловое, электромагнитное и наоборот и т. д.), то при возникновении новой, более высокой формы движения материи порождающие ее различные физические формы движения не исчезают, а существуют как «высшее их единство»*'.