2.1. Предмет и метод термодинамики

Для анализа большого круга явлений и процессов, решения многих практических задач более продуктивным оказывается применение методов термодинамики. Термодинамика изучает общие свойства тел и различные процессы в них, сопровождающиеся преобразованиями энергии, не используя какую-либо определенную модель строения вещества и не высказывая предположения о законах взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

Термодинамика – один из разделов физики, состоящих из наиболее общих физических теорий. Её метод исследования и законы используются в самых разнообразных отраслях науки: в теоретической физике и физике твердого тела, в физической химии, металлургии и металловедении, в теории тепловых машин и в биологии.

Термин «термодинамика» введен в 1854 году английским физиком Уильямом Томсоном (1824–1907), получившим за выдающиеся научные заслуги титул лорда Кельвина. Термин составлен из греческих слов thermos – теплота и dynamikos – силовой. И по первоначальному смыслу названия, и по содержанию – это наука о тепловых процессах, идущих в условиях равновесия всех сил. Впоследствии «динамикой» стали обозначать действие. Например, динамикой называется раздел механики, изучающий влияние взаимодействий между телами на их движение.

Термодинамика построена по аксиоматическому принципу: фундаментальные законы природы принимаются в качестве основных аксиом, называемых началами (принципами) термодинамики. Из них логическим путем выводятся все следствия, характеризующие различные термодинамические системы и происходящие в них процессы.

Для анализа реальных процессов используются физические величины, характеризующие свойства тел с макроскопическим количеством вещества (температура, давление, объем, теплоёмкость) и энергетические эффекты, которыми сопровождаются процессы (тепловой эффект, механическая работа, электрическая работа). Механизм процессов и явлений не рассматривается, т. е. классическая термодинамика является феноменологической наукой (греческое ϕαινομενον – являющееся). Феноменологический подход к исследованиям используется и в других науках, но в термодинамике он получил наибольшее развитие и поэтому обычно называется термодинамическим методом исследования, а классическая термодинамика – феномено логической термодинамикой. Анализ рабочих процессов различных устройств преобразования энергии, т. е. техническое приложение термодинамики, составляет важную составную часть современной термодинамики; эту часть ввиду большого значения выделяют обычно в самостоятельный раздел и называют технической термодинамикой. Современная техническая термодинамика является основой теории тепловых двигателей, тепловых машин и различных устройств и технологических процессов, в которых в качестве исходной энергии, претерпевающей превращения в рабочем процессе, используется теплота; такое же основополагающее значение имеет техническая термодинамика для прямых преобразователей энергии, в которых внутренняя энергия тел или энергия полей превращается в энергию электрического тока. Возникновение термодинамики было вызвано нуждами практической теплотехники.

Значение термодинамики заключается в том, что она устанавливает принципы наиболее эффективного преобразования различных видов энергии и дает ответ на первостепенный с практической точки зрения вопрос о том, как организовать рабочий процесс, чтобы к.п.д. был наибольшим. Термодинамика делает возможными прогнозирование и оценку эффективности различных новых способов получения полезной работы, что имеет определяющее значение для выбора направлений развития энергетики.