Современная феноменологическая термодинамика в физике подразделяется на равновесную (классическую) и неравновесную. Равновесная при этом занимается исследованием равновесных термодинамических систем и процессов в них, а неравновесная - изучением неравновесных процессов в системах, отклонение от термодинамического равновесия в которых считается относительно небольшим и допускает термодинамическое описание.
Рисунок 1. Понятие термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В условиях современного развития, феноменологическая термодинамика выступает в качестве строгой теории, развивающейся на базе нескольких постулатов. Однако обоснование таких постулатов и их взаимосвязь с законами и также свойствами взаимодействия частиц, из которых строятся термодинамические системы, дает статистическая физика. Данный раздел физики помогает также выяснить границы применимости термодинамики.
Классическая термодинамика
В рамках равновесной термодинамики в физике введены такие переменные:
- внутренняя энергия;
- температура;
- энтропия;
- химический потенциал.
Всем им присвоено название «термодинамические параметры» (величины). Классическая термодинамика изучает взаимосвязи термодинамических параметров друг с другом и также с физическими величинами, которые вводятся с целью рассмотрения в иных разделах физики (например, речь может идти о гравитационном или электромагнитном полях, оказывающих непосредственное воздействие на систему).
Фазовые переходы и химические реакции также включены в предмет изучения классической термодинамики. Однако, наряду с тем, исследование термодинамических систем (значимую роль в которых играют химические превращения), представляет предмет химической термодинамики, а за технические приложения отвечает теплотехника.
В системах, которые не находятся в состоянии термодинамического равновесия (в движущемся газе, например) возможно применение приближения локального равновесия, в котором признается локальное выполнение в каждой точке системы соотношений равновесной термодинамики. Но при этом в неравновесной термодинамике переменные будут рассмотрены уже как локальные, и не только в пространстве, но и во времени (другими словами, возможно вхождение времени в ее формулы в явном виде).
Направления и разделы термодинамики
Рисунок 2. Уравнение термодинамики для равновесных процессов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Классическая термодинамика включила в себя такие разделы:
- начала термодинамики (иногда их называют аксиомами или законами);
- уравнения состояния и свойства термодинамических простых систем (идеальный и реальный газы, магнетики, диэлектрики);
- равновесные процессы с простыми системами;
- термодинамические циклы;
- неравновесные процессы;
- закон не убывания энтропии;
- термодинамические фазы;
- фазовые переходы.
Более того, в современную термодинамику входят следующие направления: не экстенсивная термодинамика, строгая математическая формулировка на основе выпуклого анализа, применение термодинамики в отношении нестандартных систем.
Начала термодинамики
Рисунок 3. Третье начало термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Ученые разделили термодинамику на несколько следующих важных разделов, каждый из которых играет существенную роль в физике: нулевое начало; первое начало; второе начало; третье начало.
Нулевому началу в термодинамике присвоено подобное название из-за своей формулировки уже после вхождения таких разделов, как первое и второе начала, в число стойких понятий в мире науки.
Так, оно формирует утверждение о переходе изолированной термодинамической системы в самопроизвольном порядке с течением времени в позицию термодинамического равновесия и пребывании в нем сколько угодно продолжительно (при неизменном состоянии внешних условий).
Также оно будет называться «общее начало». Термодинамическое равновесие предусматривает непосредственное присутствие в рамках системы определенных разновидностей равновесия, таких как: химическое, тепловое и механическое. Также может присутствовать равновесие фаз.
Классическая термодинамика может свидетельствовать о существовании состояния термодинамического равновесия, однако при этом она ничего не сообщает касательно времени его достижения.
Первое начало термодинамики (еще один ее раздел) является выражением универсального закона сохранения энергии применительно в отношении разноплановых задач термодинамики, при этом он свидетельствует об исключении вероятности появления вечного двигателя первого рода (устройства, способного к совершению работы, исключая соответствующие энергетические затраты).
Второе начало термодинамики будет задавать уже определенные ограничения на направление процессов, чье происхождение становится возможным в пределах термодинамических систем, и исключает при этом вероятность для создания вечного двигателя (второго рода). Фактически к подобному результату пришёл физик Карно в своих научных работах о движущей силе огня.
При этом ученый отталкивался от представлений теории теплорода и не представил ясную формулировку второго начала термодинамики, что было выполнено в 1850—1851 годах независимо К. Кельвином. Существуют определенные разнообразные и эквивалентные формулировки данного закона.
Третье начало термодинамики (представлено теоремой Нернста) представляет собой заявление о том, что энтропия совершенно любой равновесной системы (по мере того, как наблюдается процесс приближения к абсолютному нулю температуры) уже перестает быть зависимой от каких-нибудь параметров состояния и начинает стремиться к определённому пределу.
В своем фактическом выражении теорема Нернста включила в себя два положения, первое из которых постулирует присутствие предела энтропии, стремящегося к абсолютному нулю. Численное значение такого предела принято приравнивать к нулевому показателю.
На основании второго положения теоремы Нернста, все процессы вблизи абсолютного нуля, способствующие переводу системы из одного равновесного состояния в иное, производятся с неизменной энтропией.
