Термодинамика

Термодина́мика (греч. θέρμη — «тепло», δύναμις — «сила») — раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах. В термодинамике изучаются состояния и процессы, для описания которых можно ввести понятие температуры. Термодинамика — это феноменологическая наука, опирающаяся на обобщения опытных фактов. Процессы, происходящие в термодинамических системах, описываются макроскопическими величинами (температура, давление, концентрации компонентов), которые вводятся для описания систем, состоящих из большого числа частиц, и не применимы к отдельным молекулам и атомам, в отличие, например, от величин, вводимых в механике или электродинамике.

Современная феноменологическая термодинамика является строгой теорией, развиваемой на основе нескольких постулатов. Однако связь этих постулатов со свойствами и законами взаимодействия частиц, из которых построены термодинамические системы, даётся статистической физикой. Статистическая физика позволяет выяснить также и границы применимости термодинамики.

Законы термодинамики носят общий характер и не зависят от конкретных деталей строения вещества на атомарном уровне. Поэтому термодинамика успешно применяется в широком круге вопросов науки и техники, таких как энергетика, теплотехника, фазовые переходы, химические реакции, явления переноса и даже чёрные дыры. Термодинамика имеет важное значение для самых разных областей физики и химии, химической технологии, аэрокосмической техники, машиностроения, клеточной биологии, биомедицинской инженерии, материаловедения и находит своё применение даже в таких областях, как экономика.

Источник: Википедия

Упоминания в литературе

Параллельно с термодинамикой получила развитие молекулярно-кинетическая теория, изучающая макроскопические проявления систем как результаты суммарного действия совокупности хаотически движущихся молекул. В отличие от термодинамики, для которой очень важны точные и конкретные показатели, поскольку от этого зависит работоспособность системы, в молекулярно-кинетической теории принято пользоваться статистическим методом, который сводит все показатели к среднестатистическим величинам.

Группа авторов, Концепции современного естествознания, 2010

Мне кажется, что особую роль в мировом эволюционном процессе играет принцип минимума диссипации энергии. Сформулирую его следующим образом: если допустимо не единственное состояние системы (процесса), а целая совокупность состояний, согласных с законами сохранения и связями, наложенными на систему (процесс), то реализуется то ее состояние, которому отвечает минимальное рассеяние энергии, или, что то же самое, минимальный рост энтропии. Этот принцип следует рассматривать в качестве некоторого «эмпирического обобщения». По своей формулировке он похож на принцип минимума потенциала рассеяния Л. Оисагера (1931 г.) и принцип минимума производства энтропии И. Пригожина (1946 г.), которые были сформулированы для проблем неравновесной термодинамики. Но он не выводится из последних. Позднее мы еще вернемся к обсуждению соотношения этих принципов.

Н. Н. Моисеев, Алгоритмы развития, 1987

Я думаю, что принцип минимума диссипации энергии есть всего лишь очень частный случай значительно более общего принципа «экономии энтропии». В природе все время возникают структуры, в которых энтропия не только не растет, но и локально уменьшается. Этим свойством обладают многие открытые системы, в том числе и живые, где за счет притока извне вещества и энергии возникают более или менее стабильные состояния – «квазиравновесные структуры». С точки зрения классической термодинамики эти образования не являются равновесными – равновесие здесь лишь понимается в смысле стационарности.

Н. Н. Моисеев, Человек и ноосфера, 1990

Основное понятие синергетики − определение структуры как состояния, возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. В обозначенных системах неприменимы ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии, что может привести к образованию новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные. В отдельных случаях образование новых структур имеет регулярный, волновой характер, и тогда они называются автоволновыми процессами (по аналогии с автоколебаниями).

Вилен Иванов, История и философия науки. Материалы к курсу лекций, 2016

В 1865 году Р. Клаузиус, имея дело с этой самой необратимо теряемой (диссипированной) энергией, ввел специальную величину, названную им энтропией (S); она отражает отношение тепловой энергии к температуре и имеет размерность кал/град. В любом процессе, связанном с превращениями энергии, энтропия возрастает или – в идеальном случае (горячий и холодный резервуары разделены абсолютным теплоизолятором, ток течет по сверхпроводнику и т. д.) – не уменьшается. Поэтому ВНТ иногда называют законом неубывания энтропии. А самая краткая объединенная формулировка первого и второго начал термодинамики, предложенная тем же Клаузиусом (1865), звучит так: в любой замкнутой системе полная энергия остается постоянной, а полная энтропия с течением времени возрастает.

Кирилл Еськов, Удивительная палеонтология, 2014

Исследования процессов сохранения и превращения энергии привели к открытию еще одного закона – закона возрастания энтропии. «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому, – писал Р. Клаузиус, – не может иметь места без компенсации»[5]. Меру способности теплоты к превращению Клаузиус назвал энтропией. Суть энтропии выражается в том, что во всякой изолированной системе процессы должны протекать в направлении превращения всех видов энергии в теплоту при одновременном уравнивании температурных разностей, существующих в системе. Это означает, что реальные физические процессы протекают необратимо. Принцип, утверждающий стремление энтропии к максимуму, называют вторым началом термодинамики. Первое начало – закон сохранения и превращения энергии.

Коллектив авторов, Концепции современного естествознания. Учебное пособие, 2009

Построенный из абсолютизированных (воображаемых) элементов схематический образ объекта познания – это и есть его теоретическая схема. Именно она подвергается далее мысленному анализу с использованием подходящих к решаемой задаче средств мышления (математики, механики, термодинамики, квантовой механики и т. п.). Существующих средств мышления не всегда бывает достаточно и приходится разрабатывать новые средства. Так возникли и развиваются метод конечных разностей в математике, метод конечных элементов в теории упругости и др. Посредством абсолютизации фиксируются (т. е. становятся константами) переменные величины, их число уменьшается. В результате этого теоретическая схема упрощается. Такое упрощение очень важно с точки зрения применимости научных средств мышления.

Л. С. Якунин, Философские вопросы науковедения, 2017

Работоспособность тепла и химической энергии зависит от заданных условий протекания технологического процесса и организации процессов тепло– и массопереноса и поэтому представляет собой величину, значение которой не может быть найдено с помощью термодинамики обратимых процессов, так как связано с кинетикой тепло– и массообмена.

Наталья Бурханова, Теплотехника, -1

Здесь и проблема вечного двигателя, сформулированная во времена отсутствия представлений о стационарных состояниях самоорганизующихся систем за пределами равновесия, которая в своей классической формулировке апеллирует к «циклу Карно», опирается на модель идеального газа (которого нет в природе). Здесь и «второе начало» классической термодинамики, постулирующей неизбежную деградацию не только систем косной природы, но всех реальных систем, предрекая им неизбежное скольжение к состоянию хаоса по основной термодинамической ветви (процесс возрастания энтропии) и отказывая в стремлении к режиму-аттрактору неравновесной устойчивости, прежде всего для систем проточных, коими заполнен мир. Здесь и классическая теория вероятностей, которую активно используют в статистических оценках реальных процессов, невзирая на то, что основана она на постулате о независимости испытаний (в действительности, как известно, нет независимых событий, поскольку издревле известно, что «всё связано со всем»). Фантомы прошлого приобретают сегодня иное звучание и растворяются, если прибегнуть к науке о нестационарных, нелинейных, протекающих за пределами равновесия процессах.

Коллектив авторов, Философские проблемы междисциплинарного синтеза, 2015

Другим методологическим ориентиром нашего исследования является синергетический подход, который имеет универсальный, общеметодологический характер и применим для постижения закономерностей, происходящих в сложных социальных системах. Появление этого подхода связано с работами по термодинамике неравновесных систем И.Р. Пригожина и Г. Хакена, давшего изученным им эффектам самоорганизации в лазерном излучении название «синергетика» (с греческого – совместное, согласованное действие). Синергетический подход основан на таких понятиях, как нелинейность, неустойчивость, непредсказуемость, альтернативность развития. В рамках этого подхода окружающий мир предстает как открытая система, в которой постоянно происходят циркуляция и обмен энергией, веществом, информацией. Картина этого мира описывается в терминах постоянной изменчивости, глубинной взаимосвязи случайности и необходимости, хаоса и порядка. При подобном состоянии открытых систем возникает необходимость выбора направления движения или вектора развития. Одним из важных принципов синергетики выступает принцип нелинейности, предполагающий множественность путей развития или эволюции. С принципом нелинейности сложных открытых систем связана их возможность саморазвития и самоорганизации. Считается, что сложная открытая система может сама себя строить, структурировать, вносить коррективы и изменения. Однако при этом подтверждается важность правильного инициирования тенденций саморазвития системы. Есть определенная область параметров или стадий, где нелинейная сложная открытая система особенно чувствительна к воздействиям, согласованным с ее внутренними свойствами, что обозначается как «резонансное воздействие». Теория резонансного воздействия свидетельствует о том, что важна не сила воздействия, а его правильная пространственная организация, или симметрия, тогда даже слабое воздействие эффективно.

Ю. А. Разенкова, Система ранней помощи: поиск основных векторов развития, 2011

Изменение внутренней энергии системы ?E обуслов–лено работой W, которая совершается при взаимодейст–вии системы со средой, и обмен теплотой Q между средой и системой, отношение между этими величинами состав–ляет содержание первого начала термодинамики.

М. В. Дроздова, Неорганическая химия, -1

Достигнутое соответствие, разумеется, представлялось более чем удовлетворительным для тех, кто его достиг. За исключением некоторых проблем движения Земли, ни одна другая теория не могла достигнуть подобного согласия с экспериментами. Ни один из тех, кто сомневался в обоснованности труда Ньютона, не делал этого в силу того, что этот труд был недостаточно согласован с экспериментом и наблюдением. Тем не менее ограниченность данного соответствия оставляла множество заманчивых теоретических проблем для последователей Ньютона. Например, требовались особые теоретические методы для истолкования движения более чем двух одновременно притягивающихся тел и исследования стабильности орбит при возмущениях. Проблемами, подобными этим, были заняты многие лучшие европейские мыслители на протяжении XVIII и начала XIX веков. Эйлер, Лагранж, Лаплас и Гаусс посвятили свои самые блестящие работы совершенствованию соответствия между парадигмой и наблюдением небесных явлений. Многие из этих мыслителей в то же время работали над прикладными проблемами применения математики в областях, о которых не могли думать ни сам Ньютон, ни его современники из континентальной школы механиков. Они написали множество работ и развили весьма мощный математический аппарат для гидродинамики и для решения проблемы колебания струны. В процессе решения этих прикладных проблем была осуществлена, вероятнее всего, наиболее блестящая и трудоемкая из научных работ XVIII столетия. Другие примеры можно почерпнуть из обзора постпарадигмального периода в развитии термодинамики, волновой теории света, электромагнитной теории или других отраслей науки, в которых фундаментальные законы получили законченное количественное выражение. По крайней мере в наиболее математизированных науках основная часть теоретической работы состояла именно в этом.

Томас Кун, Структура научных революций, -1

Новое видение мира культурных изменений открыла синергетика (по Г. Хакену, И. Р. При—гожину). Это комплексное научное направление, вобравшее в себя достижения неравновесной термодинамики, теории управления, теории сложных систем и информации. Синергетика радикально изменила понимание отношений между порядком и хаосом. В ее рамках состояние хаоса стало представляться как переходное от одного уровня упорядоченности к другому. В синергетике большое внимание уделяется феномену, нелинейности, которая характеризуется многообразием процессов, типов траекторий развития. В синергетике развитие осуществляется через неустойчивость, новое появляется как непредсказуемое, но имеющееся в спектре возможных состояний, настоящее не только определяется прошлым, но формируется из будущего.

А. Д. Барышева, Культурология. Шпаргалка, -1

Ознакомление студентов с табличной и графической подачей модульного структурирования дисциплины «Общая и неорганическая химия» позитивно и в том отношении, что при изучении других химических дисциплин на последующих курсах будет эффективнее происходить актуализация одноименных учебных модулей. Вклад «Общей и неорганической химии» значителен в модули Программы общехимических дисциплин для подготовки специалистов инженерно-технологических специальностей: 92,9 % вклада в модуль «Строение атома. Периодический закон Д.И. Менделеева», 87,9 % – в модуль «Химическая связь», 41 % – в модули «Термодинамика химических равновесий», «Химическое равновесие», «Поверхностные явления. Фазовые равновесия. Растворы», «Химическая кинетика и катализ», «Физикохимия дисперсных систем. Полимеры» [25, с. 79].

Н. Ш. Мифтахова, Методология и методика адаптационного обучения химии на дуязычной основе в высшей школе, 2012

Социокультурная обусловленность научного познания воплощается в единстве двух тесно переплетающихся аспектов: 1) зависимость от социально-экономических и духовных условий жизни общества, определяющих статус науки, импульсы к ее развитию («внешняя» социальность); 2) влияние общекультурных, мировоззренческих факторов на субъект познания – отдельных ученых, научные сообщества («внутренняя» социальность). Внешняя социальность связана с тем, что предпосылкой развития науки являются наличные экономические возможности, политические условия. Судьба тех или иных научных программ и направлений прямо зависит (особенно сейчас) от их финансирования, заинтересованности в них государства и промышленности. Известно, например, какой мощный импульс наукам (даже таким абстрактным, как математика) сообщила первая промышленная революция. Запросы производства обеспечили позже бурное развитие электротехники и термодинамики. В наши дни перспективы таких фундаментальных отраслей, как ядерная физика или исследования космоса, непосредственно зависят не только от экономического могущества ведущих политических и научно-технических держав, все равно вынужденных объединять свой экономический и творческо-научный потенциал, но и от политического климата на планете – здесь налицо обнадеживающие сдвиги.

В. Г. Торосян, Концепции современного естествознания, -1

Проведен анализ результатов исследования ИК-фурье спектров растворов гидропероксидов третичного бутила, кумила (ГПК) и трифенилметила в различных растворителях, а также растворов ГПК в н-декане с добавлением ацетона, ацетофенона и ацетонитрила как акцепторов протона. При этом использовался факторный анализ. Выполнены квантово-химические расчеты само- и гетеро-ассоциатов ГПК. Обнаружены компенсационный и кооперативный эффекты в термодинамике водородных связей гидропероксидов.

Коллектив авторов, 100-летию академика П.А. Кирпичникова. Научная сессия (5-8 февраля 2013 г.), 2013