Термодинамика изучает физические процессы с точки зрения преобразования энергии, что происходит у них на основе двух форм ее передачи: работы и теплообмена.
Однако, в отличие от молекулярно-кинетической теории, термодинамика изучает макроскопические свойства тел и явлений природы, оставляя без внимания их внутреннее строение. Не рассматривая молекул и атомов, минуя микроскопический рассмотрение процессов, термодинамика позволяет сделать выводы относительно протекания их.
Термодинамика основывается на нескольких фундаментальных законах, которые называют принципами термодинамики и которые являются обобщением результатов многочисленных опытных фактов. Вследствие этого выводы термодинамики имеют достаточно общий характер.
Термодинамика рассматривает широкий круг явлений. Законы термодинамики можно применять к процессам, происходящих в гальванических элементах, в магнитных явлений, процессов внутри звезд и др.. Вообще нет такой области физики и химии, в которой нельзя было бы применить термодинамический метод. Бурное развитие термодинамики, становления ее как науки приходится на XVIII - первую половину XIX в. В механике Ньютона различные процессы и закономерности объясняли с помощью «силы». Это понятие было основным. В термодинамике аналогичную роль играет понятие «энергия».
Термодинамическая система состоит из тел, взаимодействие которых со средой заключается в обмене энергией через работу и из-за нагрева. Средой считаются все тела, окружающих систему, но в ее состав не входят. Примером термодинамической системы может быть газ или вода и пар над ней в закрытом сосуде.
Физическое состояние системы характеризуется совокупностью числовых значений физических величин, которыми определяются свойства системы. Такими величинами являются давление, температура, объем, диэлектрическая проницаемость, показатель преломления света и т.д..
В термодинамике для характеристики состояния системы обычно пользуются следующими тремя величинами: давлением р, объемом V и температурой Т. Эти величины называются параметрами термодинамической системы. При этом параметры могут быть внутренними, касающиеся этой системы, и внешними, характеризующих внешние тела. Например, объем газа считается внешним параметром, поскольку он зависит от размеров сосуда. Давление газа - внутренний параметр, он зависит от средней кинетической энергии молекул [формула (6.13)]. Для характеристики термодинамического состояния смесей используют параметр, называется концентрацией. Параметры состояния связаны между собой так, что при изменении одного из них меняется по мере еще один. Связь между параметрами состояния термодинамической системы можно выразить, как отмечалось ранее, уравнением состояния. В простейшем случае для идеального газа зависимость между объемом, давлением и температурой выражается уравнением Менделеева - Клапейрона. Если параметры состояния термодинамической системы имеют вполне определенное значение и со временем не изменяются при неизменных внешних условиях, то такая система находится в состоянии равновесия. Когда параметры состояния изменяются со временем, то в системе происходит термодинамический процесс. Примером термодинамического процесса может быть изменение объема газа сопровождается изменением давления и температуры.
Равновесное состояние системы можно изобразить графически точкой на плоскости с прямоугольными координатами, если отложить по координатным осям значения любых двух параметров. Неравновесное состояние нельзя так показать, поскольку в этом случае хоть один из параметров не будет определенного значения.
Графически можно изобразить только равновесное состояние системы. Если термодинамическое состояние системы характеризуется сначала точкой А, а затем точками В и С на диаграмме, то это означает, что система перешла из одного состояния в другое (рис. 7.1). Оборотным называют такой процесс, который происходит в обоих направлениях (например, ABC-СВА) так, что система возвращается в исходное положение без каких-либо изменений в окружающей среде. Для необратимых процессов это требование нарушается. В основу классификации термодинамических процессов можно положить признак неизменности любого из параметров состояния. Термодинамический процесс называют изобарно, если остается постоянным давление, изохорно - когда не изменяется объем, изотермическим - за постоянной температуры. Процесс, происходящий без теплообмена с внешней средой, называют адиабатическим. Круговым процессом, или циклом, называют такой процесс, при котором система выходит из какого-то термодинамического состояния и, потерпев изменений, возвращается к тому же состоянию.