Термодинаміка – розділ фізики, який вивчає найзагальніші закономірності процесів у макроскопічних системах, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги і процесів переходу між такими станами.

Термодинамічна система – це сукупність мікроскопічних тіл, які взаємодіють і обмінюються енергією між собою і навколишнім середовищем.

Термодинамічним процесом називається перехід системи з початкового стану в кінцевий через послідовність проміжних станів. Процеси бувають оборотні і необоротні. Оборотним називається процес, при якому можна здійснити оборотний перехід системи з кінцевого стану в початковий через ті ж самі проміжні стани, щоб у навколишніх тілах не сталося жодних змін. Оборотний процес – це фізична абстракція.

Необоротний процес супроводжується тертям або теплопередаванням від нагрітого тіла до холодного.

Термодинамічні параметри – параметри стану – сукупність фізичних величин, що характеризують властивості і стан термодинамічної системи. Такими параметрами є температура Т, об’єм V, тиск р. Стан системи, у якому вона може перебувати досить довго (параметри стану у часі є незмінними), називається термодинамічною рівновагою

Внутрішня енергія – це сума енергій молекулярних взаємодій і енергії теплового руху молекул. Оскільки потенціальна енергія взаємодії молекул ідеального газу дорівнює нулю, то внутрішня енергія ідеального газу дорівнює сумі кінетичних енергій молекул.

Внутрішня енергія ідеального газу пропорційна масі газу і його термодинамічній температурі. Внутрішню енергію можна змінити двома способами: теплообміном і виконанням механічної роботи.

Теплообмін – зміна внутрішньої енергії за рахунок передавання її від одного тіла до іншого без виконання роботи.

Виконання механічної роботи:

1. При деформації тіла нагріваються.

2. Нагрівання тіл, яке зумовлено виконанням роботи проти сил тертя.

Теплопередача між тілами можлива за рахунок теплопровідності, конвекції, випромінювання.

Теплопровідність – обмін енергією між тілами, що перебувають у безпосередньому контакті.

Конвекція – перенесення енергії потоками рідини або газів.

Випромінювання – перенесення енергії електромагнітними хвилями, видимим світлом, інфрачервоним випромінюванням.

Навколишні тіла (зовнішня сила) виконують над газом роботу А, причому робота в обох випадках однакова, її значення різняться лише знаком: А=А’.

В результаті зміни об’єму на під час ізобарного процесу робота дорівнює:

Під час розширення газу V₂ > V₁ - робота додатна. Під час стискання газу V₂ < V₁ - робота від’ємна.

Чисельно робота дорівнює площі відповідної криволінійної трапеції, обмеженої графіком залежності .

Теплоємністю тіла називають відношення кількості теплоти, потрібної для підвищення його температури від значення до значення , до різниці цих температур :

Q – кількість теплоти, С – теплоємність тіла, - різниця температур.

Питома теплоємність тіла С – характеристика речовини, що визначається кількістю теплоти, яка необхідна для нагрівання 1кг речовини на 1 К.

Вимірюється в СІ питома теплоємність Дж/ кг·К.

Тіла, нагріті до певної температури, віддають холоднішим тілам деяку кількість теплоти. Знаючи початкові температури, маси всіх тіл і питомі теплоємності, можна обчислити невідому теплоємність твердого тіла, виходячи з так званого рівняння теплового балансу, яке формулюється так: кількість теплоти Q₁, яку віддає більш нагріте тіло, дорівнює кількості теплоти, що її набуває менш нагріте тіло Q₂.

Якщо в теплообміні бере участь кілька тіл, умова їхньої рівноваги така:

Це рівняння виражає закон збереження енергії при тепловому обміні і називається рівнянням теплового балансу.

Перший закон термодинаміки

Збільшення внутрішньої енергії тіла може бути спричинене

передаванням кількості теплоти , а також виконанням роботи А. Перший закон термодинаміки формулюється так: зміна внутрішньої енергії DU системи дорівнює сумі роботи А, виконаної над системою зовнішніми силами і наданої їй кількості теплоти .

Якщо роботу виконує система над зовнішніми тілами, то , тоді

Кількість теплоти , що надана системі, йде на збільшення її внутрішньої енергії і виконання системою роботи проти зовнішніх сил.

1) Ізохорний процес: DV = 0, A=0 , отже , де - питома теплоємність при сталому об’ємі.

2) Ізобарний процес:

3) Ізотермічний процес: ?Т=0, ?U=0, якщо ізотермічне нагрівання, A>0, , Q>0 газ отримує енергію ззовні.

При ізотермічному стисканні A<0, Q<0 тому тому, газ віддає енергію навколишньому середовищу. Процес, який відбувається без теплообміну з навколишніми тілами, називається адіабатичним. Адіабатичними можна наближено вважати процеси, які швидко відбуваються. Отже, в такому процесі Q = 0, , тобто робота виконується за рахунок зміни внутрішньої енергії тіла.

Другий закон термодинаміки

Неможливий круговий процес, єдиним результатом якого є перетворення теплоти, одержаної від нагрівника, у еквівалентну їй роботу.

М.Планк: «У природі неможливий процес, єдиним результатом якого був би перехід теплоти повністю в роботу».

К. Клаузіс: «Теплота не може сама собою переходити від тіла з нижчою температурою до тіла з вищою температурою».