Введение в предмет и методы термодинамики
Несмотря на достаточно большой срок развития, термодинамика не консервативна и продолжает совершенствоваться в наши дни. Это подчеркивается возросшим за последние два десятилетия интересом к ней как к науке. Существенно расширяются сферы ее практического приложения к различным явлениям и техническим устройствам: проблемы прямого преобразования энергии в топливных элементах, термоэмиссионных генераторах, МГД-генераторах; вопросы безотходной технологии, биоэнергетика, вторичные энергоресурсы нанотехнологии – вот далеко не полный перечень актуальной проблематики современной термодинамики. Непрерывно продолжает расти перечень использования рабочих тел и областей их применения. Не до конца еще вскрыты внутримолекулярные и межмолекулярные связи, механизмы, управляющие теплофизическими свойствами веществ. Ждет своего термодинамического освещения явление высокотемпературной сверхпроводимости.
Современное состояние развития термодинамики таково, что оно в состоянии дать ответы, а также провести достаточно глубокий анализ всех этапов развития реального процесса, связанного с превращением энергии термодинамических систем (веществ) в полезную работу. На термодинамику в рамках рассматриваемого курса необходимо смотреть как на составную часть теоретических основ теплофизики и теплотехники. Этому способствует и развитие термодинамики необратимых (неравновесных) процессов, благодаря которой стало возможным изучение сложных явлений, состоящих из одновременно протекающих нескольких процессов разной физической природы. И кто знает сегодня, может быть в будущем оправдаются мысли о реальной взаимосвязи процессов, протекающих в живой и неживой природе, т. е. об общей термодинамической теории природы, базирующейся на предельно универсальной парадигме, высказанной и развитой А.И. Вейником в своей монографии «Термодинамика реальных процессов», так негативно воспринятой миром ученых.
Термодинамика – наука, изучающая превращение энергии при протекании всевозможных макроскопических процессов изменения состояния, происходящих с различными телами, а также полями.
Энергия – один из наиболее общих и универсальных параметров состояния термодинамической системы, ибо она отражает меру движения материи, являясь ее неотъемлемой частью и обусловленную внутренними противоречиями.
Именно поэтому термодинамика является основой анализа всех макро- и микроскопических процессов, в том числе и условий равновесия термодинамических систем.
Термодинамика была развита на базе аксиоматических принципов: фундаментальные общие законы природы используются в ней в качестве отправных аксиом, которые принято называть началами (принципами) или законами термодинамики. На базе этих аксиом, путем логических умозаключений, математического описания и обобщения выводятся все следствия, описывающие поведение различных термодинамических систем и протекающих в них процессов.
Классическая термодинамика, базирующаяся на выше отмеченных началах (принципах), является феноменологической наукой, исходящей не из ограниченных по своей сути модельных представлений, а из самых общих соображений, позволяющих выявить всесторонние связи и установить соответствующие количественные соотношения. Многих ученых с мировым именем очаровала удивительная сила и плодотворность термодинамического метода. Отметим лишь одно высказывание Эйнштейна: «Теория производит тем большее впечатление, чем проще ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает и чем шире область ее применения. Отсюда глубокое впечатление, которое на меня произвела классическая термодинамика. Это единственная теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута».
Статистическая физика пользуется иными методами. Изучая поведение отдельных корпускул, используя аппарат математической статистики и теории вероятности, она приходит к количественным зависимостям для всего ансамбля корпускул в целом как термодинамической системы. Несмотря на различные подходы, результаты и выводы классической термодинамики и статистической физики одинаковы.