Закони термодинаміки

Розділ фізики, який вивчає співвідношення і перетворення теплоти та інших енергій, називається термодинамікою. У ній працюють не з окремими молекулами, а з тілами макроскопічних розмірів, які складаються з величезного числа частинок. Називаються такі тіла термодинамическими системами. У цій статті ми будемо згадувати закони термодинаміки.

Перший закон

Цей закон узагальнює закон перетворення і збереження енергії для термодинамічної системи. Говорить він про те, що зміна внутрішньої енергії термодинамічної системи, яка є неізольованою, дорівнюватиме різниці кількості теплоти, переданої системі, і роботи, що здійснюється системою над зовнішніми об'єктами. Кількість теплоти, яке отримує система, йде на зміну внутрішньої її енергії і вчинення нею роботи над зовнішніми об'єктами. Розглянемо цей закон термодинаміки стосовно до ізопроцессам газів.

• При Ізохоричний процесі газ роботу не здійснює. Значить кількість теплоти, передане системі, дорівнюватиме зміни внутрішньої енергії. Тобто, при Ізохоричний нагріванні, тепло буде поглинатися газом і, відповідно, буде збільшуватися його внутрішня енергія. При охолодженні, тепло буде віддаватися зовнішнім тілам.
• При изобарном розширенні, тепло газом поглинається, і він здійснює роботу позитивну. При изобарном стисненні, температура газу зменшується, тепло віддається зовнішніх об'єктів, внутрішня енергія при цьому убуває.
• При ізотермічному процесі, зміни температури газу не відбувається, отже, не відбувається і зміни внутрішньої енергії. У процесі ізотермічного розширення кількість теплоти, яку отримує газ, перетворюється в роботу над зовнішніми об'єктами. Робота зовнішніх сил, яка виробляється газом, при ізотермічному стисненні перетворюється в тепло, яке передається оточуючим тілам. 
• Розглянемо перший закон термодинаміки при адіабатичному процесі. Адіабатичні процеси - це процеси стиснення або розширення газу в адіабатичних оболонках. Такими оболонками називають судини, в яких відсутній теплообмін з навколишніми об'єктами.

Так як в цьому процесі теплота дорівнює нулю, то враховуючи закони термодинаміки, зокрема перший закон, виходить, що газ буде здійснювати роботу за рахунок убутку своєї внутрішньої енергії. Для адіабатичного процесу ідеального газу, в термодинаміки виводиться рівняння, яке називається рівнянням Пуассона. Перший закон термодинаміки являє собою узагальнення досвідчених факторів. Згідно з ним, енергія не може створюватися або знищуватися, вона буде передаватися від системи до системи і перетворюватися з однієї форми в іншу.

Другий закон

Другим початком термодинаміки встановлюється наявність в природі асиметрії, яка є фундаментальною. Тобто це говорить про те, що всі відбуваються мимовільні процеси характеризуються односпрямованістю. Приклади цьому знаходяться навколо нас: охолодження гарячих тіл з плином часу, але при цьому холодні самі по собі ніколи не стануть гарячими, підстрибуюче м'яч рано чи пізно зупиниться, а спочивають ніколи не почне мимовільно підскакувати.

Проявляється тут властивість природи, яке відрізняється від збереження енергії. Незважаючи на те, що баланс енергії в будь-якому процесі повинен зберігатися, зміна розподілу наявної енергії відбувається необоротним чином. У цьому і полягає сенс другого закону термодинаміки. Будь-яка система, яка надана сама собі, прагне до одного певного стану, при якому система буде перебувати в рівновазі з навколишнім середовищем.

Існує різна формулювання законів термодинаміки, в тому числі і у другого закону їх декілька. Найбільш загальну трактування цього закону запропонував Больцман. У ній йдеться про те, що в природі відбувається прагнення до переходу від станів менш ймовірних до більш імовірним. Ще одне формулювання другого закону термодинаміки говорить про те, що будь мимовільний процес, що відбувається в реальності, незворотній. І, виходячи з формулювання Планка, робиться висновок про неможливість побудови "вічного двигуна". Мова в ній йде про те, що не можна побудувати машину, періодично діючу, результатом дії якої буде лише отримання механічної роботи та охолодження теплового джерела.

Закон третій 

Функція, яка характеризує міру невпорядкованості системи в термодинаміки, тобто неоднорідність руху та розташування її частинок, називається термодинамічної ентропією. Викладені вище закони термодинаміки не дають можливості визначити значення ентропії при температурі рівною нулю, тобто абсолютному нулі температури.

Тому на їх підставі був знайдений закон, який усунув це. Він носить назву принципу Нернста і говорить про те, що якщо будь ізотермічний процес проведений при абсолютному нулі температури, то нулю дорівнюватиме та зміна ентропії системи. Це не буде залежати від зміни інших параметрів (тиску, обсягу, напруженості зовнішнього силового поля). Тобто ізотермічний процес при абсолютному нулі температури є також ізоентропійним. Планком був розвинений принцип Нернста. На підставі його гіпотези можна визначати абсолютні значення ентропії системи, що перебуває в довільно рівноважному стані.

Термодинаміка і її закони застосовується в обширному крузі питань у галузі техніки і науки. Це двигуни, хімічні реакції, фазові переходи, явища переносу, чорні діри. Ці принципи мають важливе значення і для інших областей фізики і хімії, закони термодинаміки потрібні хімічної технології, машинобудування, аерокосмічній техніці, клітинної біології, матеріалознавства, біомедичної інженерії.