Введение. 
Термодинамика

В основе комфортной жизни человека сегодня лежит возможность использования энергии и вещества. И энергия, и вещество необходимы нам в достаточном количестве и в нужной форме. Однако в природе энергия и вещества встречаются, как правило, не в том виде, который требуется человеку, поэтому необходимо обеспечить их преобразование. Указанными преобразованиями занимаются такие отрасли промышленности, как энергетика, химическая промышленность, металлургия. Первостепенной задачей промышленности является преобразование природных ресурсов (уголь, нефть, газ, древесина, руда, вода, воздух и т. д.) в необходимые человеку вещества, материалы и энергию. В качестве источников энергии выступают также гидроресурсы, атмосфера, Солнце.

Сегодня важно обеспечить не просто эффективное преобразование сырья и энергии в целевой продукт, но и сделать это с учетом растущих экологических требований, не нарушая равновесия в природе, не загрязняя воздух, воду и землю.

Процессы переработки сырья и энергии в требуемую форму имеют нечто общее. Если источником энергии являются минеральные ресурсы (нефть, природный газ) или древесина, то энергия выделяется в результате процессов горения, в которых в результате протекания химических реакций образуются продукты сгорания и выделяется тепловая энергия. В свою очередь, процессы переработки сырья зачастую требуют нагрева или охлаждения рабочего тела, т. е. затрат энергии. Указанные процессы очень сложны, но, тем не менее, существуют некоторые общие закономерности, которые можно использовать при анализе как процессов переработки вещества так и преобразования энергии. Эти закономерности удалось сформулировать в рамках термодинамики — науки о закономерностях превращения энергии и вещества.

Пример: современная тепловая электростанция, работающая на угле, мощностью 1200 МВт потребляет в год около 3,22 млн т угля, на сжигание которого расходуется примерно 40,55 млн т воздуха. При сгорании угля образуется 280 000 т золы, а также 43,49 млн т газообразных продуктов (азот, углекислый газ и пары воды, небольшое количество кислорода, оксидов серы и азота).

Термодинамика — наука о закономерностях превращения энергии и веществ.

Энергия — способность данной системы тел совершить в данных условиях определенное количество работы. Энергия — способность материи производить работу.

Энергия, как правило, используется в следующих формах:

• • тепловая энергия (промышленность, обогрев помещений);
• • механическая энергия (промышленность, транспорт);
• • электроэнергия (промышленность, освещение, транспорт).

Источниками энергии являются:

• • химическая энергия природных ископаемых (нефть, уголь, газ), их производных (бензин, керосин), древесины, биомассы — теплоэнергетика;
• • ядерная энергия — ядерная энергетика;
• • энергия рек — гидроэнергетика;
• • энергия ветра — ветроэнергетика;
• • энергия Солнца — солнечная энергетика.

Значительная часть первичной энергии теряется в процессе преобразований. Важно осуществлять такие процессы с минимальными потерями энергии, принимая во внимание экономические и экологические соображения.

Термин «термодинамика» происходит от греческих слов thewie (тепло) и dynamis (сила), т. е. изначально термодинамика — учение о движущей силе теплоты. Однако в настоящее время этот термин и сфера применения законов термодинамики гораздо шире. В частности, аппарат термодинамики широко используется в химической технологии, нефтегазовой промышленности, энергетике, материаловедении, металлургии, геохимии, плазмохимии, при решении задач горения и взрыва и т. д.

В основу термодинамики положено несколько постулатов (законов, начал), наиболее важными из которых являются:

• • первый закон — закон сохранения и превращения энергии;
• • второй закон — принцип возрастания энтропии.

Смысл первого закона понятен: при взаимодействиях тел энергия может переходить из одной формы в другую, однако в результате ее суммарная величина не меняется. Иными словами, энергия не возникает из ничего и не никуда исчезает.

Пример: если человек хочет похудеть, он должен либо меньше есть (еда — источник энергии), либо больше двигаться.

Второй закон термодинамики утверждает, что энергия имеет не только количественную, но и качественную характеристику, г. е. можно говорить о качестве энергии. При этом все реальные самопроизвольные процессы происходят в направлении ухудшения качества энергии.

Оба закона имеют нечто общее — они характеризуют превращения энергии. Важным следствием этих законов является несимметричность преобразования энергии из одной формы в другую. В самом деле, опыт показывает, что механическую энергию достаточно просто превратить в тепловую, — это обстоятельство люди использовали много лет назад, добывая огонь трением. С другой стороны, превратить тепловую энергию в механическую полностью невозможно. Чашка горячего чая на столе со временем остывает, однако чашка холодного чая в том же помещении на столе никогда не нагреется сама по себе. Иными словами, тепловая энергия горячего чая деградирует, превращается в менее полезную форму, рассеиваясь в окружающем воздухе.

Хотя принципы термодинамики работают уже достаточно долго, термодинамика как наука стала развиваться только после изобретения паровых машин (1697, Т. Севери, Англия; 1712, Т. Ныокомен, Англия).

Первый и второй законы термодинамики были сформулированы в 1850-х гг. в работах У. Ренкина, Р. Клаузиуса, Ю. Майера, У. Томсона (лорда Кельвина). Напомним, что Кельвин — название небольшой реки, протекающей по территории университета в Глазго, где работал Томсон.

Термин «термодинамика», по всей видимости, впервые использовал в 1849 г. Кельвин, а первые учебники по термодинамике были написаны, вероятно, в 1859 г.: в Англии это учебник профессора университета в Глазго У. Ренкина, а в Германии — учебник Г. Цойнера.

Существуют два подхода к изучению законов термодинамики: микроскопический и макроскопический. Классическая термодинамика (техническая, химическая) изучает поведение систем на макроуровне, не рассматривая свойства отдельных частиц. Другой подход, в котором поведение и свойства систем рассматриваются на микроуровне (на уровне отдельных частиц), реализован в рамках статистической термодинамики (статфизики).

Разницу между двумя подходами можно пояснить следующим примером. Пусть есть газ в цилиндре под поршнем. Известно, что вещества состоят из большого числа частиц (атомов, молекул, ионов). Свойства вещества зависят от поведения этих частиц. Например, давление газа в контейнере есть результат столкновения молекул газа со стенками контейнера. Однако для того чтобы определить давление в контейнере, нет необходимости знать скорость каждой частицы. Достаточно присоединить к контейнеру манометр. В каждый момент времени можно определить объем, занимаемый газом, давление газа и его температуру. Если газ является смесью нескольких газов, можно определить его химический состав. Температура, давление и объем — макроскопические свойства вещества. Таким образом, для анализа состояния газа под поршнем достаточно знать очень небольшое число макроскопических параметров. С помощью этих параметров можно исследовать также термодинамические процессы.

Термодинамика является разделом теоретической физики, в котором изучают макроскопические свойства тел и их изменения, происходящие при взаимном обмене тел энергией и веществом [1].

Структуру термодинамики можно представить в виде пирамиды (рис. 1.1). На верхнем уровне расположены основные постулаты термодинамики, следующий уровень образует понятийный аппарат (совокупность понятий) термодинамики, далее располагается математический аппарат термодинамики, за ним следуют модели веществ и термодинамические свойства индивидуальных (чистых) веществ, на нижнем уровне находятся термодинамические модели и свойства термодинамических систем.

Рис. 1.1. Структура термодинамики.

Первые три уровня остаются неизменными уже много лет. Наиболее интенсивная работа проводится на последних уровнях. Термодинамические свойства веществ получают экспериментально и расчетным путем, на основании модельных представлений. Эти свойства используют в качестве параметров термодинамических моделей систем, которые, в свою очередь, применяют для теоретического анализа равновесных состояний и процессов в науке и технике.

Приведенная структура позволяет понять, в чем заключается сложность изучения термодинамики. Запомнить основные законы и понятия термодинамики достаточно просто. Несколько больших усилий требует изучение математического аппарата термодинамики. Однако сложнее всего научиться использовать термодинамические модели, создавать новые и применять их для решения новых задач.