Закон транзитивности термического равновесия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Нулевое начало термодинамики»)
Перейти к: навигация, поиск

Закон транзитивности термического равновесия (нулевой закон, нулевое начало термодинамики) вводит в этот раздел физики понятие эмпирической температуры[1][2][3]. Был сформулирован Р. Фаулером (1931)[4][5][6], а предложенное им не слишком удачное название «нулевой закон термодинамики» было выбрано из-за того, что данный закон оказался хронологически последним из нумерованных законов термодинамики.

Первый из двух входящих в этот закон постулатов — постулат о существовании термодинамического равновесия[7] — утверждает, что макроскопическая система, находящаяся в неизменных внешних условиях, всегда приходит самопроизвольно в состояние термодинамического равновесия, которое характеризуется тем, что:

  • прекращаются всякие макроскопические изменения в системе, каждый параметр, характеризующий макроскопическое свойство системы, имеет постоянное во времени значение;
  • система, перешедшая в состояние термодинамического равновесия, сколь угодно долго остаётся в этом состоянии. Для нарушения равновесия необходимы внешние воздействия[8].

При термодинамическом равновесии выполняются частные равновесия: механическое, химическое, термическое и др., то есть установление частного равновесия есть необходимое условие равновесия термодинамического. Достаточные условия равновесия (условия устойчивости) рассматриваются в термодинамике. Сейчас же отметим, что при делении системы на две части (подсистемы) посредством перегородки с определёнными свойствами (жёсткой или подвижной, непроницаемой для химических составных частей системы или полупроницаемой, теплоизолирующей адиабатической или теплопроводящей диатермической)[9] условие соблюдения термодинамического равновесия для системы в целом можно свести к выполнению одного из частных равновесий между её подсистемами. Использование жёсткой и непроницаемой для вещества диатермической перегородки сводит условие термодинамического равновесия для всей системы к термическому равновесию её подсистем. Чтобы обойти трудности, связанные с попыткой дать строгое определение «теплопроводящей (диатермической) перегородке», будем считать этот термин базовым, то есть таким, для которого возможно только описательное определение, но не определение посредством других, более общих терминов, ибо таковых просто не существует.

Представляется уместным сделать следующее отступление, имеющее прямое отношение к последующему изложению. В термодинамике достаточно распространено использование для мысленных экспериментов разного рода воображаемых идеализированных тел, приспособлений и механизмов. То обстоятельство, что такой подход не приводит к противоречию между теорией и опытными данными, позволило К. А. Путилову сформулировать следующее положение[10]: в термодинамике допустимо пользоваться какими угодно воображаемыми идеализированными по своим свойствам телами и приспособлениями без риска, применяя эти представления в рассуждениях, прийти к неверным результатам, если предварительно доказано, что их реализация, как бы ни были неправдоподобны их свойства, не противоречила бы ни первому, ни второму началу термодинамики (принцип термодинамической допустимости Путилова). Не претендуя на роль закона природы, этот принцип, тем не менее, не может быть выведен из законов термодинамики, и в случае своего применения с формальной точки зрения должен рассматриваться как один из постулатов термодинамики.

Второй из постулатов, входящих в «нулевой закон», — закон транзитивности термического равновесия — гласит, что если две термодинамические системы, разделённые жёсткой и непроницаемой для вещества диатермической перегородкой, находятся в термическом равновесии между собой, то любая третья система, находящаяся в термическом равновесии с одной из первых двух систем, будет находиться также в термическом равновесии с другой из этих систем[7].

Может показаться, что закон транзитивности самоочевиден, но это не так (кусок янтаря, который потёрли шерстью, будет притягивать нейтральный шарик из бузины; так же будет себя вести и другой кусок янтаря, но два куска янтаря не будут притягиваться друг к другу).

Из закона транзитивности термического равновесия выводится[2][11] существование термодинамической функции состояния — эмпирической температуры, которая для всех систем, находящихся в состоянии термического равновесия, имеет одно и то же значение. С её помощью условие термического равновесия систем сводится к требованию равенства их температур. Возникающий при этом произвол устраняется выбором температурной шкалы.

В отечественной литературе постулат о существовании термодинамического равновесия иногда называют первым исходным положением термодинамики, а закон транзитивности термического равновесия — вторым исходным положением термодинамики[12].

При традиционном аксиоматическом подходе к построению термодинамики, позволяющем, в частности, обойтись без представлений о разного рода перегородках, постулат о транзитивности термического равновесия, из которого выводится существование эмпирической температуры, заменяют на постулат о существовании эмпирической температуры — существует термодинамическая функция состояния, называемая эмпирической температурой и обладающая следующими свойствами[5]:

  • на качественном физиологическом уровне восприятия температура отражает наши ощущения тепла и холода; на качественном бытовом уровне — представления о степени нагретости тела;
  • температура представляет собой интенсивный параметр состояния, то есть равенство температур двух подсистем есть необходимое и достаточное условие их термического равновесия и необходимое условие термодинамического равновесия системы в целом. Полный перечень свойств температуры разнится для различных аксиоматических систем.

При более современном аксиоматическом подходе к построению термодинамики, основанном на переводе понятия «теплота» из базового во вторичное (то есть основанное на других базовых понятиях) и вспомогательное (то есть не являющееся жизненно необходимым для обоснования законов термодинамики), положения, относящиеся к температуре, включают в общую систему аксиом[13][14].

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — С. 751. — 944 с.
  2. 1 2 К. Залевски. Феноменологическая и статистическая термодинамика: Краткий курс лекций / Под. ред. Л. А. Серафимова. — М.: Мир, 1973. — С. 11—12. — 168 с.
  3. М. П. Вукалович, И. И. Новиков. Термодинамика. — М.: Машиностроение, 1972. — С. 11. — 671 с.
  4. Р. Фаулер, Э. Гуггенгейм. Статистическая термодинамика / Под. ред. В. Г. Левича. — М.: Издательство иностранной литературы, 1949. — С. 79. — 612 с.
  5. 1 2 А. Зоммерфельд. Термодинамика и статистическая физика. — М.: Издательство иностранной литературы, 1955. — С. 11. — 480 с.
  6. R. G. Mortimer. Physical Chemistry. — Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2008. — С. 110—111. — 1385 с.
  7. 1 2 Р. Кубо. Термодинамика / Ред. перевода Д. Н. Зубарев, Н. М. Плакида. — М.: Мир, 1970. — С. 12. — 304 с.
  8. А. Г. Самойлович. Термодинамика и статистическая физика. — М.: Гостехиздат, 1955. — С. 10. — 368 с.
  9. Физическая энциклопедия. Том 4 / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — С. 196. — 704 с.
  10. К. А. Путилов. Термодинамика / Отв. ред. М. Х. Карапетьянц. — М.: Наука, 1971. — С. 201. — 376 с.
  11. М. А. Леонтович. Введение в термодинамику. Статистическая физика. — М.: Наука, 1983. — С. 29—32. — 416 с.
  12. И. П. Базаров. Термодинамика. — М.: Высшая школа, 1991. — С. 17—19. — 376 с.
  13. R. Giles. Mathematical Foundations of Thermodynamics. — Oxford: Pergamon Press, 1964. — 235 с.
  14. Lieb E. H., Yngvason J. The physics and mathematics of the second law of thermodynamics (англ.) // Physics Reports. — Elsevier, 1999. — Vol. 310. — № 1. — P. 1—96. — DOI:10.1016/S0370-1573(98)00082-9