Zákon tranzitivity tepelné rovnováhy

Zákon tranzitivity tepelné rovnováhy (nulový zákon, nulový zákon termodynamiky ) zavádí do fyziky pojem empirické teploty jako fyzikální veličiny vhodné pro charakterizaci stavu velmi mnoha makroskopických objektů [1] [2] [3] [4] [5] [6] [ 7] [8] [9] [10] [11] . Příkladem makroskopického objektu, který k popisu svého stavu nepotřebuje použití teploty a dalších tepelných veličin, je absolutně pevné těleso [12] . Tepelné systémy, to je, makroskopické systémy ke kterému pojetí teploty platí být předmět studia v termodynamice , statistické fyzice a fyzice kontinua . Absolutně tuhé těleso do tepelných soustav nepatří.

Historické pozadí

V roce 1925 T. A. Afanas'eva-Ehrenfest ukázal [13] , že systém termodynamických zákonů by měl být doplněn o axiom existence termodynamické rovnováhy ( Afanas'evův :)postulát [14] a R. Fowler v roce 1931 v rámci diskuse s indickým astrofyzikem Sakhou a jeho spolupracovníkem V. Srivartavou formuloval další axiom – existenci teploty ( Fowlerův postulát ) [15] [11] [16] , který po zveřejnění monografii R. Fowlera a E. Guggenheima [17] byl přidělen nepříliš dobrý název „nulový zákon termodynamiky“, neboť tento zákon se ukázal být chronologicky posledním z vyjmenovaných termodynamických zákonů . Než se objevil termín „minus první termodynamický zákon“ [18] , který axiomu existence termodynamické rovnováhy přiřazoval status jednoho ze základních termodynamických zákonů, Afanasievovy postuláty (minus první zákon termodynamika) a Fowler (existence teploty [19] ) byly některými autory interpretovány jako komponentový nulový zákon termodynamiky [20] [21] [22] (dále z čistě didaktických důvodů bude používán tento výklad nulového principu ), zatímco jiní autoři považovali tyto postuláty za nezávislé axiomy [23] [24] [25] [26] , znamenající nulovým principem pouze zákon tranzitivity tepelné rovnováhy a jeho důsledek, existenci empirické teploty [4]. [16] [27] [28] [29] [30] [8] [9] [31] .

Postulát existence termodynamické rovnováhy se v domácí literatuře někdy nazývá první výchozí polohou termodynamiky a zákon tranzitivity tepelné rovnováhy druhou výchozí polohou termodynamiky [23] [25] .

Postulát existence termodynamické rovnováhy

První ze dvou postulátů obsažených v nulovém termodynamickém zákonu – postulát existence termodynamické rovnováhy [22]  – tvrdí, že makroskopický systém za konstantních vnějších podmínek vždy spontánně přejde do stavu termodynamické rovnováhy, který je charakterizován tzv. fakt že:

Při termodynamické rovnováze jsou splněny dílčí rovnováhy: mechanické, chemické, tepelné atd., to znamená, že ustavení parciální rovnováhy je nezbytnou podmínkou termodynamické rovnováhy. V termodynamice se uvažují dostatečné rovnovážné podmínky (podmínky stability). Nyní si všimneme, že při rozdělení systému na dvě části (subsystémy) pomocí přepážky s určitými vlastnostmi (tuhá nebo pohyblivá, nepropustná pro chemické složky systému nebo polopropustná, tepelně izolační adiabatická nebo tepelně vodivá diatermická) [33] , lze podmínku udržení termodynamické rovnováhy pro systém jako celek redukovat na splnění jedné z dílčích rovnováh mezi jeho subsystémy. Použití diatermické přepážky tuhé a nepropustné pro hmotu snižuje podmínku termodynamické rovnováhy pro celý systém na tepelnou rovnováhu jeho subsystémů. Abychom se vyhnuli potížím spojeným se snahou o striktní definici „teplovodivé (diatermické) přepážky“, budeme tento termín považovat za základní, tedy takový, pro který je možná pouze popisná definice, ale ne definice prostřednictvím jiných, obecnějších termínů, protože takové prostě neexistují.

Putilovův princip termodynamické přípustnosti

Zdá se vhodné provést následující odbočku, která přímo souvisí s následnou prezentací. V termodynamice je zcela běžné používání různých imaginárních idealizovaných těles, zařízení a mechanismů pro myšlenkové experimenty. Skutečnost, že takový přístup nevede k rozporu mezi teorií a experimentálními daty, umožnila K. A. Putilovovi formulovat následující tvrzení [34] : v termodynamice je přípustné bez rizika používat jakákoli imaginární tělesa a zařízení idealizovaná svými vlastnostmi, aplikující tyto reprezentace v uvažování docházejí k nesprávným výsledkům, pokud se dříve prokáže, že jejich implementace, bez ohledu na to, jak nepravděpodobné jsou jejich vlastnosti, by nebyla v rozporu ani s prvním, ani s druhým zákonem termodynamiky ( Putilovův princip termodynamické přípustnosti [35] ). Bez nároku na přírodní zákon však tento princip nelze odvodit ze zákonů termodynamiky, a pokud je aplikován z formálního hlediska, musí být považován za jeden z termodynamických postulátů.

Zákon tranzitivity tepelné rovnováhy

Druhý z postulátů zahrnutých v nulovém zákoně, zákon tranzitivity tepelné rovnováhy, říká, že pokud jsou dva termodynamické systémy oddělené diatermální přepážkou tuhou a neprostupnou pro hmotu, jsou ve vzájemné tepelné rovnováze, pak jakýkoli třetí systém, který je v tepelné rovnováze s jedním z prvních dvou systémů bude také v tepelné rovnováze s druhým z těchto systémů [22] .

Může se zdát, že zákon přechodnosti je samozřejmý, ale není tomu tak (kousek jantaru, který byl otřen vlnou, přitáhne neutrální klubko černého bezu; další kousek jantaru se bude chovat stejně, ale dva kousky jantar se k sobě nebudou přitahovat).

Ze zákona tranzitivity tepelné rovnováhy se odvodí [8] [36] , že existuje termodynamická stavová funkce ,  empirická teplota, která má pro všechny soustavy ve stavu tepelné rovnováhy stejnou hodnotu. S jeho pomocí je podmínka tepelné rovnováhy soustav redukována na požadavek, aby jejich teploty byly stejné. Libovolnost , která v tomto případě vzniká , je eliminována volbou teplotní stupnice . Potíže související s tím, co je míněno teplem přijatým / odevzdaným otevřeným systémem (viz Nejednoznačnost pojmů „teplo“ a „práce“ ) omezují použitelnost zákona o přechodnosti tepelné rovnováhy (a tudíž opodstatnění existence empirická teplota) uzavřenými systémy .

Axiomatický přístup

V tradičním axiomatickém přístupu ke konstrukci termodynamiky, který umožňuje zejména oprostit se od představ o různých druzích dělení, je postulát tranzitivity tepelné rovnováhy, z něhož je odvozena existence empirické teploty, nahrazen - analogie s prvním a druhým zákonem termodynamiky, z nichž každý ospravedlňuje existenci určité stavové funkce [37] , — na postulátu existence empirické teploty [38] [4] [5] [2] [3] [39] [40] [6] [7] [10]  — existuje termodynamická stavová funkce, nazývaná empirická teplota a mající následující vlastnosti [11] :

Kompletní seznam teplotních vlastností se pro různé axiomatické systémy liší. Všimněte si, že základní postulát racionální termodynamiky — postulát existence a vlastností absolutní termodynamické teploty [41] [42] — je založen na nulovém principu v Sommerfeldově formulaci a na myšlence teploty jako lokální makroskopické veličiny [43 ] .

S modernějším axiomatickým přístupem ke konstrukci termodynamiky, založeným na překladu pojmu „teplo“ ze základního na sekundární (tedy na základě jiných základních pojmů) a pomocný (tj. nepodstatný pro zdůvodnění zákony termodynamiky), ustanovení týkající se teploty, jsou zahrnuty do obecného systému axiomů [44] [45] .

Poznámky

  1. ↑ Fyzika. Velký encyklopedický slovník, 1998 , str. 751.
  2. ↑ 1 2 Bulidorová G. V. a kol., Fyzikální chemie, 2012 , s. osmnáct.
  3. ↑ 1 2 Bulidorova G. V. et al., Základy chemické termodynamiky, 2011 , str. 17.
  4. ↑ 1 2 3 Ivanov A. E., Ivanov S. A., Mechanika. Molekulární fyzika a termodynamika, 2012 , str. 666.
  5. ↑ 1 2 Mironova G. A. et al., Molekulární fyzika a termodynamika v otázkách a úlohách, 2012 , s. 57.
  6. ↑ 1 2 Rumer Yu.B., Ryvkin M. Sh., Termodynamika, statistická fyzika a kinetika, 2000 , str. 37.
  7. ↑ 1 2 Kushnyrev V. I. et al., Technická termodynamika a přenos tepla, 1986 , str. 12, 57-58, 83.
  8. ↑ 1 2 3 Zalewski K., Fenomenologická a statistická termodynamika, 1973 , s. 11-12.
  9. ↑ 1 2 Vukalovič M. P., Novikov I. I., Termodynamika, 1972 , s. jedenáct.
  10. ↑ 1 2 Radushkevich L.V., Kurz termodynamiky, 1971 , s. 5.
  11. ↑ 1 2 3 A. Sommerfeld, Termodynamika a statistická fyzika, 1955 , str. jedenáct.
  12. ↑ Borshchevsky A. Ya., Physical chemistry, vol. 1, 2017 , s. 40.
  13. ↑ Sviridonov M. N., Vývoj konceptu entropie v dílech T. A. Afanasyeva-Ehrenfest, 1971 .
  14. ↑ Afanas'eva-Ehrenfest T. A., Nevratnost, jednostrannost a druhý termodynamický zákon, 1928 , s. 25.
  15. ↑ R. Fowler, E. Guggenheim, Statistická termodynamika, 1949 , s. 79.
  16. ↑ 1 2 Mortimer RG, Fyzikální chemie, 2008 , pp. 110-111.
  17. ^ Fowler RH, Guggenheim EA, Statistická termodynamika, 1939 .
  18. ↑ Brown HR, Uffink J. Původ časové asymetrie v termodynamice: Minus první zákon  //  Studie z historie a filozofie vědy Část B: Studie z historie a filozofie moderní fyziky. - Elsevier, 2001. - Sv. 32, č. 4 . - S. 525-538. - doi : 10.1016/S1355-2198(01)00021-1 .
  19. ↑ Je zvláštní, že nazývat nulový princip postulátem existence teploty, autoři to přesto mohou zdůvodnit pomocí axiomu tranzitivity tepelné rovnováhy ( Manakov N. L., Marmo S. I. , Přednášky z termodynamiky a statistické fyziky, část 1. , 2003, str. 7-8).
  20. ↑ Kvasnikov I. A., Molekulární fyzika, 2009 , str. 24-26.
  21. ↑ Kvasnikov I. A., Termodynamika a statistická fyzika, vol. 1, 2002 , str. 20-22.
  22. ↑ 1 2 3 Kubo R., Termodynamika, 1970 , str. 12.
  23. ↑ 1 2 Borshchevsky A. Ya., Physical chemistry, vol. 1, 2017 , s. 54-65.
  24. ↑ Kruglov A. B. et al., Průvodce technickou termodynamikou, 2012 , str. 8-9.
  25. ↑ 1 2 Bazarov I.P., Termodynamika, 2010 , str. 17-19.
  26. ↑ Manakov N. L., Marmo S. I., Přednášky z termodynamiky a statistické fyziky, 1. díl, 2003 , str. 6-8.
  27. ↑ Manakov N. L., Marmo S. I., Přednášky z termodynamiky a statistické fyziky, 1. díl, 2003 , str. 7-8.
  28. ↑ I. Prigozhin, D. Kondepudi, Moderní termodynamika, 2002 , str. dvacet.
  29. ↑ Petrov N., Brankov J., Moderní problémy termodynamiky, 1986 , s. třicet.
  30. ↑ Novikov I.I., Termodynamika, 1984 , s. 11-12.
  31. ↑ Pippard AB, Prvky klasické termodynamiky, 1966 , s. 9.
  32. ↑ Samoylovich A. G., Termodynamika a statistická fyzika, 1955 , s. deset.
  33. ↑ Fyzická encyklopedie, díl 4, 1994 , s. 196.
  34. ↑ Putilov K. A., Termodynamika, 1971 , s. 201.
  35. ↑ Karyakin N.V., Základy chemické termodynamiky, 2003 , s. 322.
  36. ↑ Leontovič M. A. Úvod do termodynamiky, 1983 , s. 29-32.
  37. ↑ Yu. G. Rudoy, ​​​​Matematická struktura rovnovážné termodynamiky a statistické mechaniky, 2013 , s. 70.
  38. ↑ Kudinov I. V., Stefanyuk E. V., Teoretické základy tepelné techniky, 1. díl, 2013 , str. čtyři.
  39. ↑ Rozman G. A., Termodynamika a statistická fyzika, 2003 , s. deset.
  40. ↑ Kudinov V. A., Kartashov E. M., Technická termodynamika, 2001 , s. 6.
  41. ↑ Maksimov L. A. et al., Lectures on Statistical Physics, 2009 , str. 5-6.
  42. ↑ K. Truesdell, Primární kurz racionální mechaniky kontinua, 1975 , s. 400.
  43. ↑ Lokální makroskopická veličina charakterizuje mentálně odlišenou oblast (elementární objem) spojitého prostředí (kontinua), jehož rozměry jsou ve srovnání s nehomogenitami prostředí nekonečně malé a ve vztahu k velikostem částic (atomů, iontů) nekonečně velké. , molekuly atd.) tohoto média ( Zhilin P. A. , Racionální mechanika kontinua, 2012, s. 84)
  44. ↑ Giles R., Mathematical Foundations of Thermodynamics, 1964 .
  45. ↑ Lieb EH , Yngvason J. Fyzika a matematika druhého zákona termodynamiky  //  Physics Reports. - Elsevier, 1999. - Sv. 310, č.p. 1 . - S. 1-96. - doi : 10.1016/S0370-1573(98)00082-9 .

Literatura

 Termodynamika
Úseky termodynamiky
Základy termodynamiky