Объяснение термодинамики

Дмитрий Коротков

Предлагается нестандартный подход к изложению термодинамики, с целью сделать эту теорию действительно понятной и легче запоминающейся. На основе предложенного подхода объясняются наиболее известные парадоксы и ошибки в термодинамических рассуждениях, в том числе в традиционных изложениях термодинамики. Много внимания уделяется понятию об энтропии. Объясняется связь энтропии с информацией. В заключении показываются принципиальные возможности для обхода второго начала термодинамики.

2. Температура. Тепловая и внутренняя энергии

Температура непосредственно доступна нашим ощущениям, это значит, что ей соответствует некоторая физическая величина. В основном, все тела в бытовом окружении человека можно считать рассеивающими системами. Тело человека также можно считать рассеивающей системой.

Основное явление, связанное с температурой — это теплообмен, который приводит к выравниванию температур контактирующих тел. В то же время, основное явление в рассеивающих системах — это распределение энергии по степеням свободы. Следовательно, температуру можно связать со средней по времени энергией одной степени свободы системы. Проще всего принять, что эти величины пропорциональны друг другу. Будем обозначать температуру «T» — в традиционных единицах (градус Кельвина) и «Θ» — в энергетических единицах (средняя энергия одной степени свободы). По историческим причинам принята следующая связь между энергетическими и температурными единицами:

Θ = k·T/2,

где k ≈ 1.38·10^—23 Дж/К — постоянная Больцмана.

В традиционной термодинамике имеется т. н. «нулевое начало» в котором постулируется наличие у макроскопических систем способности к тепловому равновесию друг с другом, и как следствие, наличие некоторой характеристики «температура», природа которой не раскрывается. В текущем изложении в подобном «начале» нет необходимости. Также в традиционной термодинамике можно встретить описание различных температурных шкал. Причина этого в том, что традиционная термодинамика «не понимает» физический смысл температуры.

Понятие «температура» имеет смысл только для состояния равновесия или достаточно близкого к нему для конкретной решаемой задачи. Систему не в состоянии равновесия можно попытаться представить в виде набора частей, каждая из которых достаточно близка к своему состоянию равновесия — тогда каждая часть будет иметь свою температуру. Температура также определена для квазиравновесных процессов.

В термодинамике предполагается, что температура всегда неотрицательна. Значение Θ = 0 называют «абсолютный нуль температуры» чтобы отличать от нуля на бытовых температурных шкалах.

В традиционной термодинамике выводится положение «о недостижимости абсолютного нуля температуры». Эту недостижимость следует понимать в смысле теоретической недостижимости в процессах, которые может рассматривать термодинамика. На практике были достигнуты температуры, отличающиеся от абсолютного нуля на очень малые доли градуса.

Существуют неклассические термодинамические теории, в которых абсолютная температурная шкала определяется таким образом, что появляется возможность отрицательных значений абсолютной температуры. В традиционной термодинамике понятие температуры введено предельно обобщённо, поэтому с ней эти неклассические теории частично совместимы. С текущим изложением термодинамики эти теории принципиально несовместимы. Температура в этих теориях — это не средняя по времени энергия одной степени свободы, а некоторая функция мгновенного распределения энергии по степеням свободы. К сожалению, термин «температура» сейчас находится «в ведении» традиционной термодинамики, которая позволяет разные вольности в его определении. Это более запутывает, чем помогает.

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

U_Т = r·N·Θ

(2.1) где:

r — число степеней свободы каждой частицы системы,

N — число частиц в системе.

Внутренняя энергия системы (U) — это сумма всех видов её энергии, включая и тепловую. Это понятие в текущем изложении термодинамики совпадает с традиционным.

Конец ознакомительного фрагмента.