Лекци@01-Введение [Режим совместимости] (Лекции по ТД Рыжков (PDF)), страница 3

В 1823 независимоот Х.Эрстеда открыл термоэлектрический эффект, показал, что он обладаетсвойством суперпозиции, создал первый термоэлектрический элемент.29МАКСВЕЛЛ ДЖЕЙМС КЛЕРК(Maxwell, James Clerk) (1831–1879), английский физик.Родился 13 июня 1831 в Эдинбурге в семьешотландского дворянина из знатного рода Клерков.Учился сначала в Эдинбургском (1847–1850), затемв Кембриджском (1850–1854) университетах. В 1855стал членом совета Тринити-колледжа, в 1856–1860был профессором Маришал-колледжа Абердинскогоуниверситета, с 1860 возглавлял кафедру физики иастрономии в Кингз-колледже Лондонскогоуниверситета.

В 1865 в связи с серьезной болезньюМаксвелл отказался от кафедры и поселился в своем родовом поместьеГленлэр близ Эдинбурга. Продолжал заниматься наукой, написал несколькосочинений по физике и математике. В 1871 в Кембриджском университетезанял кафедру экспериментальной физики.

Организовалнаучно-исследовательскую лабораторию, которая открылась 16 июня1874 и была названа Кавендишской – в честь Г.Кавендиша.30ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. КЛАССИЧЕСКАЯ (ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ) ИСТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКАВо введении представлены важнейшие определения и обсуждается соотношение между феноменологической истатистической термодинамикой. Сначала определим эти дисциплины.Феноменологическая термодинамика − наука, изучающая свойства макроскопических систем, находящихся всостоянии равновесия, а также равновесные процессы перехода между этими состояниями.Статистическая термодинамика − наука, изучающая свойства равновесных макроскопических систем на основеданных о микроскопическом строении вещества.Как известно, полная энергия макросистемы включает внешнюю и внутреннюю энергию.

Механика изучает движениялюбых тел как целого и, соответственно, превращения внешней энергии. Термодинамика изучает превращениявнутренней энергии в равновесных макроскопических системах. Отсюда вытекает чрезвычайно общий характертермодинамики как науки, дающей метод исследования равновесных макроскопических систем, представляющихсобой объекты различной природы.Внутренняя энергия в феноменологической термодинамике определяется как полная энергия системы за вычетомкинетической и потенциальной энергий системы как целого.

Примерами макроскопических систем являются: газ вцилиндре автомобильного двигателя; фотонный газ (электромагнитное поле) в полости, образованной отражающимистенками; жидкости; металлы; полупроводники; вещество в звездах и т.д.Объектом термодинамических исследований является термодинамическая система − макроскопическая система,включающая одно или несколько тел, выделенных из окружающей среды с помощью оболочек жестких или гибких,проницаемых или непроницаемых − в зависимости от характера изучаемой задачи. Эти оболочки могут быть какреальными, так и воображаемыми.Термодинамическая система, не обменивающаяся ни энергией, ни массой с внешней средой, называетсяизолированной; система, обменивающаяся только энергией − закрытой; система, обменивающаяся как энергией,так и массой − открытой.Совокупность макроскопических величин, характеризующих систему, определяет ее макроскопическое состояние.Само понятие ″состояние″ является первичным, и поэтому невозможно дать ему словесное определение.

Но можноописать состояние количественно, задавая определенные значения независимых термодинамических величин,которые характеризуют свойства объекта.Макроскопические величины характеризуют всю систему в целом или ее отдельные макроскопические части.Макроскопическими параметрами, общими для всех объектов, являются число частиц в системе, ее объем,температура, давление и т.д.31Ключевым исходным положением термодинамики, вытекающим из опыта, является постулат существованиятермодинамического равновесия: всякая изолированная термодинамическая система приходит в состояниетермодинамического равновесия, в котором определяющие ее макроскопические параметры остаютсянеизменными сколь угодно долго. Из этого состояния система не может выйти самопроизвольно. Такое состояниеможно изменить, только воздействуя на систему извне.Таким образом, термодинамика исследует равновесные состояния различных объектов.

При отсутствии внешнихполей (например, поля тяжести) равновесные состояния каждого из тел, входящих в термодинамическую систему,являются максимально однородными (с точностью до очень малых флуктуаций, относительная величина которыхтем меньше, чем больше частиц в системе и чем больше ее размеры).Примером равновесной гомогенной (однородной) термодинамической системы может служить газ, ограниченныйизолирующими стенками, где температура и давление одинаковы во всем объеме. Это, например, химически инертныегазы и их смеси, состоящие из нескольких компонентов, химически реагирующие газы и жидкости, растворы.Аналогично электромагнитное поле, заключенное внутри изолирующей идеально отражающей оболочки, представляетсобой гомогенную равновесную термодинамическую систему.Термодинамика изучает и гетерогенные системы.

Гетерогенной называют физически неоднородную систему,состоящую из нескольких однородных частей, на границах которых свойства меняются скачком. Гетерогенныесистемы могут включать в себя тела, находящиеся в различных агрегатных состояниях (твердое тело, жидкость,газ, плазма). Если вещество находится в системе в различных состояниях, которые соприкасаются и находятся вравновесии друг с другом (например, вода и водяной пар, графит и алмаз и др.), то говорят, что соответствующиевещества находятся в разных фазах. Понятие фаза − более широкое, чем агрегатное состояние, так как может включатьв себя, в частности, различные кристаллические модификации одного вещества в твердом состоянии (белое и сероеолово, например).

Гетерогенные системы могут включать в себя как различные фазы одного вещества (вода и водянойпар), так и различные вещества (вода и воздух над ее поверхностью).Данные равновесной термодинамики используются при изучении неравновесных макроскопических систем. Опытпоказывает, что неравновесность состояния всегда связана с неоднородными распределениями макроскопическихвеличин, характеризующих состояние системы в пределах одной фазы (например, температуры). Неравновесныесостояния могут быть стационарными или зависящими от времени. Такие состояния − предмет неравновеснойтермодинамики, изучающей как линейные неравновесные процессы (диффузию, вязкость, теплопроводность,термоэлектрические явления и др.), так и нелинейные (например, процессы самоорганизации в природе).Термодинамика как наука использует два взаимно дополняющих друг друга подхода:феноменологической (классической) термодинамики, другой − статистической термодинамики.Феноменологическая термодинамика исходит из ряда твердо установленных экспериментальных фактов,формулируемых как основные законы термодинамики.

Феноменологическая термодинамика рассматриваетлюбую среду как сплошную, не учитывая дискретную, атомистическую природу вещества. Начало феноменологической32термодинамике положила знаменитая работа С. Карно.В основе феноменологической термодинамики лежат нулевой, 1-й, 2-й и 3-й законы, из которых выводятся общиесоотношения, определяющие понятия термодинамических свойств. Кроме того, феноменологическая термодинамикавводит такие важнейшие функции состояния как внутренняя энергия, энтропия, термодинамическая температура, атакже характеристические функции (которые являются основой анализа равновесных состояний и свойств веществ).Она вводит также термические и калорические уравнения состояния, термические и калорические свойства веществ.В силу перечисленных выше обстоятельств изучение термодинамики начинается с феноменологического приближения.В рамках феноменологической термодинамики развиты (сформулированы) два важнейших метода исследования.Во-первых, это метод термодинамических функций − основа для исследования свойств веществ в равновесныхсостояниях.

Во-вторых, метод циклов, применяемый главным образом для анализа эффективности различных тепловыхмашин. Согласно данному выше определению, важнейшей областью применения аппарата феноменологическойтермодинамики является анализ процессов перехода макроскопической системы из одного состояния в другое.Однако, в силу принятой модели вещества важнейшие понятия феноменологической термодинамики вводятся безраскрытия связи с реальными физическими свойствами вещества на микроуровне (все вещества определяются в нейкак некие непрерывные субстанции без учета реальной атомарной структуры). Это например, внутренняя энергия,температура, идеальная термодинамическая система. В рамках этого приближения отсутствует общий методисследования неидеальных систем. Феноменологическая термодинамика не отвечает на вопрос, почему изолированнаятермодинамическая система стремится к равновесию.

В рамках феноменологической термодинамики не могут бытьпоставлены такие важные задачи, как термодинамические свойства электронного газа в металлах, дефектов вкристаллах и др. Для определения свойств макроскопических систем (теплоемкости, сжимаемости и т.д.) необходимопроведение специальных экспериментов, устанавливающих функциональную связь между термодинамическимипеременными. К сожалению, подобные эксперименты невозможно поставить в ряде случаев, например, при изучениихимически реагирующих газовых смесей в области высоких температур (тысячи кельвинов и выше). Нет строгогоопределения, что такое макроскопическая система.

Таким образом, феноменологическая термодинамика в состоянииисследовать лишь ограниченный круг термодинамических систем, опираясь на экспериментальные данные.Статистическая термодинамика исходит из представления о макроскопической системе как совокупностибольшого количества (обычно ~ 1020 и более) микрочастиц. Этими частицами могут быть атомы, молекулыжидкостей и газов. Это могут быть электроны и ионы плазмы и проводников, электронные дырки, примесные атомыполупроводников, электронные пары сверхпроводников, спины атомов магнитных материалов, солитоны (уединенныеволны), распространяющиеся в различных средах, и т.д. Короче − любые микроскопические объекты, определяющиесвойства тел.