Объяснение термодинамики

где k ? 1.38·10

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 ? = 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

) – это энергия неупорядоченного движения её элементов по степеням свободы. Она связана с температурой ? очевидным соотношением:

U

= r·N·?

(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.

Связь между внутренней и тепловой энергиями определим следующим образом:

U = U

+ U

(2.2) где U

– другие виды внутренней энергии системы, кроме тепловой.

Важно понимать, где проходит граница между рассеивающей системой и внешними системами. По своей сути, рассеивающая система может определяться только тепловой энергией, а прочие внутренние энергии следовало бы отнести к внешним системам, несмотря на то, что они находятся в одной и той же физической системе. Логическая и физическая принадлежности – это не одно и то же. Однако в термодинамике традиционно используется только внутренняя энергия U и логическая принадлежность энергии не различается с физической. Это может приводить к ошибкам в рассуждениях. В текущем изложении термодинамики для совместимости будет принято то же правило: все виды внутренней энергии принадлежат рассеивающей системе, за исключением специально оговоренных случаев. В простейших термодинамических моделях обычно нет изменений нетепловых видов внутренней энергии и в этом случае внутреннюю и тепловую энергию можно не различать.