Термодинамика - раздел физики, который исследует и описывает соотношения и превращения теплоты физических тел в другие формы энергии.
Рисунок 1. Нерешенные проблемы термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Посредством принципов термодинамики ученые изучают не только отдельные молекулы, а и взаимодействие макроскопических тел, которые включают в себя огромное количество частиц. В данном научном направлении рассматриваются вопросы распространения теплоты, химические и физические изменения, непосредственно связанные с поглощением энергии веществом, а также, выделение теплового потенциала таких трансформаций.
Термодинамика находит широкое использование в и химической физике при проведении анализа физических процессов, в современной биологии и физиологии, теплотехнике, в двигателестроении, а также ракетно-космической технике. Изначально термодинамические методы акцентировали внимание на обратимых явлениях и равновесных состояниях, так что более подходящим для нее было название "термостатика".
Однако благодаря работа С. Аррениусу и Г. Эйринга термодинамика получила достаточно основательную разработку, и ученые начали применять ее в исследовании скоростей химических реакций. В настоящее время основной проблемой в термодинамике является ее использование к необратимым физическим процессам, где ранее были достигнуты большие успехи в построении гипотезы.
Трудности в становлении термодинамики
Рисунок 2. Основные разработки в термодинамике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В становлении любого естественнонаучного учения иногда наступают периоды, когда уловить новые взгляды и опытные факты в старой концептуальной системе становится невозможным Тогда предметом исследования становится сама гипотеза: ее исходные постулаты, математический аппарат и логическая структура.
Термодинамика также переживала такие периоды несколько раз. Так было еще в середине XIX века, когда под натиском новых доказательств рушилось устоявшееся представление о теплоте как о неуничтожимом веществе, а вместе с ним, и основанная на его принципах теория тепловых машин С. Карно. Спустя несколько десятилетий подобные трудности возникли уже и в механической гипотезе теплоты Р. Клаузиуса в связи с шокирующим выводом о "тепловой смерти Вселенной".
В конце прошлого столетия значительные проблемы в термодинамике появились после попыток провести термодинамический анализ процессов изменения состава в стабильных системах при химических реакциях, и фазовых переходах. Большая часть всех трудностей была успешно преодолена Дж. Гиббсом посредством представления закрытой концепции как совокупности открытых и взаимосвязанных подсистем. Это позволило ученым свести внутренние явления трансформации системы к процессам внешнего обмена. Однако некоторые из этих трудностей наблюдаются и в наши дни в качестве безуспешных попытках разрешения "парадокса Гиббса" – учения о скачкообразном росте энтропии при рассеянии невзаимодействующих газов.
В течение ХХ столетия термодинамика неоднократно сталкивалась с парадоксальными и неприятными ситуациями, которые возникли при выходе науки за пределы человеческого опыта.
Однако такие проблемы появились после того, как исследователи решили приложить к релятивистским тепловым машинам иной источник тепла. Попытки преодолеть тяжелые ситуации без предварительной корректировки концептуальных основ классической термодинамики оказались вскоре провальными. Но любые такие коррективы термодинамических систем даже при их конструктивном и нестабильном характере воспринимаются физиками весьма болезненно.
Поиск решения проблемы термодинамических неравенств
Одной из наиболее отличительных характеристик методов термодинамики всегда была их возможность предоставления огромного количества явлений к основным научным идеям. К достоинствам термодинамического способа можно отнести непреложную справедливость и достоверность следствий, автоматически вытекающих из диссипации энергии и законов сохранения.
Опираясь на опыт и будучи последовательно феноменологической, термодинамика помогает определить ключевые закономерности разнообразных физических явлений, не вскрывая их первостепенного молекулярного механизма. Все это обусловливает исключительную важность и силу термодинамического метода исследования.
В математическом плане термодинамику можно сравнить с утверждением, согласно которому, состояние мельчайших элементов нестабильного континуума характеризуется определенным набором переменных, такими же, что и в равновесии.
С увеличением интенсивности данных процессов эти неравенства только усиливаются, и расчет на их базе работы и теплоты системы становится все более неточным. При этом сама классическая термодинамика не может оценить некую погрешность, напрямую связанную с пренебрежением указанными параметрами, так как остаются неизвестными их конкретные аналитические выражения.
Рассматривая с указанных позиций теорию локального равновесия, можно отметить, что она вовсе не соответствует существу дела. Действительно, о локальном и стабильном равновесии возможно говорить, когда достаточный и необходимый признак термодинамического положения провоцирует прекращение континуума в элементах, чего в действительности нет. Наконец, с утверждений статистической термодинамики масштабное равновесие тел существует до тех пор, пока в веществах континуума сохраняется определенный уровень распределение частиц по скоростям.
Отсутствие других методов нахождения термодинамических потоков и сил, равно как и нерентабельность полученных на ее основе результатов не могут служить оправданием данной гипотезы. Поэтому нужно найти новые способы введения энтропии в системы, абсолютной температуры и других переменных, которые были бы самостоятельны в своих действиях. Однако это станет только первым шагом на пути решения проблемы термодинамических неравенств.
Дело в том, что неравенства всегда сохраняют силу только в том случае, когда теплообмен и внутренняя энергия изначально выражены через локальные переменные. Это является логическим следствием уравнений баланса энтропии, а наличие внезапных изменений большинства величин химических реакций, расширение в пустоту, трение, исключает вероятность выражения внешнего обмена энергетическим потенциалом через изменения действующих переменных.
Поэтому финальное решение проблемы в термодинамике требует обязательного нахождения других методов выражения работы и теплоты, которые были бы наиболее применимы к необратимым физическим процессам.
Переход от термодинамики к энергодинамике
Основными достоинствами термодинамики является:
- возможность получения огромного количества следствий, относящихся к различным явлениям;
- предоставление основ небольшого числа первичных принципов;
- отсутствие надобности в модельных идеях о микроструктуре вещества и молекулярном аппарате явлений;
- непреложная справедливость всех следствий.
За такие свойства классическую термодинамику еще издавна ученые называют «королевой наук». Мощь термодинамического способа общеизвестна. В ХХ веке целесообразность использования принципов термодинамики проявилась при создании термохимии, биофизики и феноменологического учения сверхтекучести временного пространства. Все это говорит о сохранении ценности термодинамики, о которой еще А. Эйнштейн отозвался как о «комплексной физической гипотезе общего содержания, которая в рамках применимости ключевых понятий никогда не будет опровергнута скептиками».
Следовательно, ключевая задача термодинамики состоит в расширении области применимости термодинамических методов и понятий, то есть создание энергодинамики – фундаментальной и важной дисциплины, исследующей общие закономерности нестатических процессов переноса энергии и преобразования любых форм материальных тел независимо от их принадлежности к определенной сфере знания.
Такое обобщение ставит единственной целью интеграцию значимых дисциплин на принципиально новой методологической базе, не нуждающейся в теориях и постулатах современной физики, находящиеся вне зависимости от модельных идей о строении вещества и признающей опыт самой надежной основой для дальнейшего развития естествознания.
