Legea tranzitivității echilibrului termic

Legea tranzitivității echilibrului termic (legea zero, legea zero a termodinamicii ) introduce în fizică conceptul de temperatură empirică ca mărime fizică adecvată pentru a caracteriza starea foarte multor obiecte macroscopice [1] [2] [3] [4] [5] [6] [ 7] [8] [9] [10] [11] . Un exemplu de obiect macroscopic care nu are nevoie de utilizarea temperaturii și a altor cantități termice pentru a-și descrie starea este un corp absolut solid [12] . Sistemele termice , adică sistemele macroscopice cărora li se aplică conceptul de temperatură , fac obiectul de studiu în termodinamică , fizică statistică și fizica continuumului . Un corp absolut rigid nu aparține sistemelor termice.

Context istoric

În 1925, T. A. Afanas'eva-Ehrenfest a arătat [13] că sistemul de legi ale termodinamicii ar trebui completat de axioma existenței echilibrului termodinamic ( postulatul lui Afanas'ev :) [14] , și R. Fowler în 1931, în cursul unei discuții cu astrofizicianul indian Sakha și colaboratorul său V. Srivartava, a formulat o altă axiomă – existența temperaturii ( postulatul lui Fowler ) [15] [11] [16 ] , care, după publicarea lui monografiei lui R. Fowler și E. Guggenheim [17] , a primit numele nu prea bun de „lege zero a termodinamicii”, deoarece această lege s-a dovedit a fi cronologic ultima dintre legile enumerate ale termodinamicii . Înainte de apariția termenului „minus prima lege a termodinamicii” [18] , care atribuia statutul uneia dintre legile de bază ale termodinamicii axiomei existenței echilibrului termodinamic, postulatele lui Afanasiev (minus prima lege a termodinamica) și Fowler (existența temperaturii [19] ) au fost interpretate de unii autori drept componente legea zero a termodinamicii [20] [21] [22] (în continuare, din motive pur didactice , se va folosi această interpretare a principiului zero. ), în timp ce alți autori au considerat aceste postulate drept axiome independente [23] [24] [25] [26] , adică prin principiul zero doar legea tranzitivității echilibrului termic și consecința acesteia, existența unei temperaturi empirice [4] [16] [27] [28] [29] [30] [8] [9] [31] .

În literatura internă, postulatul existenței echilibrului termodinamic este uneori numit prima poziție inițială a termodinamicii, iar legea tranzitivității echilibrului termic este numită a doua poziție inițială a termodinamicii [23] [25] .

Postulatul existenței echilibrului termodinamic

Primul dintre cele două postulate incluse în legea zero a termodinamicii — postulatul existenței echilibrului termodinamic [22]  — afirmă că un sistem macroscopic în condiții externe constante intră întotdeauna spontan într-o stare de echilibru termodinamic, care se caracterizează prin: faptul ca:

La echilibrul termodinamic sunt îndeplinite echilibrele parțiale: mecanice, chimice, termice etc., adică stabilirea echilibrului parțial este o condiție necesară pentru echilibrul termodinamic. Condițiile de echilibru suficiente (condițiile de stabilitate) sunt considerate în termodinamică. Acum observăm că la împărțirea sistemului în două părți (subsisteme) prin intermediul unui compartiment cu anumite proprietăți (rigid sau mobil, impermeabil la componentele chimice ale sistemului sau semipermeabil, adiabatic termoizolant sau diatermic termoconductor) [33] , condiția de menținere a echilibrului termodinamic pentru întregul sistem poate fi redusă la îndeplinirea unuia dintre echilibrele parțiale dintre subsistemele sale. Utilizarea unei perete diaterme rigide și impermeabile la materie reduce starea de echilibru termodinamic pentru întregul sistem la echilibrul termic al subsistemelor sale. Pentru a ocoli dificultățile asociate cu încercarea de a da o definiție strictă a „partiției termoconductoare (diatermice)”, vom considera acest termen ca fiind de bază, adică unul pentru care este posibilă doar o definiție descriptivă, dar nu o definiție prin alți termeni, mai generali, pentru că pur și simplu nu există.

Principiul lui Putilov al admisibilității termodinamice

Pare potrivit să facem următoarea digresiune, care este direct legată de prezentarea ulterioară. În termodinamică, utilizarea diferitelor corpuri, dispozitive și mecanisme imaginare idealizate pentru experimente de gândire este destul de comună. Faptul că o astfel de abordare nu conduce la o contradicție între teorie și datele experimentale i-a permis lui K. A. Putilov să formuleze următoarea afirmație [34] : în termodinamică este permisă utilizarea fără riscuri a oricăror corpuri și dispozitive imaginare idealizate în proprietățile lor, aplicând acestea. reprezentările în raționament, ajung la rezultate incorecte dacă s-a dovedit anterior că implementarea lor, oricât de neplauzibilă ar fi proprietățile lor, nu ar contrazice nici prima, nici cea de-a doua lege a termodinamicii ( principiul admisibilității termodinamice al lui Putilov [35] ). Fără a pretinde a fi o lege a naturii, acest principiu, totuși, nu poate fi derivat din legile termodinamicii, iar dacă este aplicat din punct de vedere formal, trebuie considerat ca unul dintre postulatele termodinamicii.

Legea tranzitivității echilibrului termic

Al doilea dintre postulate incluse în legea zero, legea tranzitivității echilibrului termic, afirmă că dacă două sisteme termodinamice , separate printr-o partiție diatermă rigidă și impenetrabilă pentru materie, sunt în echilibru termic între ele, atunci orice al treilea sistem care este în echilibru termic cu unul dintre primele două sisteme va fi de asemenea în echilibru termic cu celălalt dintre aceste sisteme [22] .

Poate părea că legea tranzitivității este de la sine înțeleasă, dar nu este (o bucată de chihlimbar care a fost frecată cu lână va atrage o minge neutră de soc; o altă bucată de chihlimbar se va comporta la fel, dar două bucăți de chihlimbarul nu va fi atras unul de celălalt).

Din legea tranzitivității echilibrului termic se deduce [8] [36] că există o funcție de stare termodinamică ,  temperatura empirică, care are aceeași valoare pentru toate sistemele aflate în stare de echilibru termic. Cu ajutorul acestuia, starea de echilibru termic al sistemelor este redusă la cerința ca temperaturile lor să fie egale. Arbitrarul care apare în acest caz este eliminat prin alegerea unei scale de temperatură . Dificultăți legate de ceea ce se înțelege prin căldură primită/cedată de un sistem deschis (vezi Ambiguitatea conceptelor „căldură” și „muncă” ) limitează aplicabilitatea legii tranzitivității echilibrului termic (și de aici justificarea existenței temperatura empirică) prin sisteme închise .

Abordare axiomatică

În abordarea tradițională axiomatică a construcției termodinamicii, care permite, în special, să se renunțe la idei despre diferite tipuri de partiții, postulatul tranzitivității echilibrului termic, din care derivă existența temperaturii empirice, este înlocuit - de analogie cu prima și a doua lege a termodinamicii, fiecare din care justifică existența unei anumite funcție de stare [37] , — pe postulatul existenței unei temperaturi empirice [38] [4] [5] [2] [3] [39] [40] [6] [7] [10]  — există o funcție de stare termodinamică, numită temperatură empirică și având următoarele proprietăți [11] :

Lista completă a proprietăților temperaturii variază pentru diferite sisteme axiomatice. Rețineți că postulatul fundamental al termodinamicii raționale - postulatul existenței și proprietăților temperaturii termodinamice absolute [41] [42] - se bazează pe principiul zero din formularea lui Sommerfeld și pe ideea temperaturii ca mărime macroscopică locală [43] ] .

Cu o abordare axiomatică mai modernă a construcției termodinamicii, bazată pe traducerea conceptului de „căldură” de la bază la secundar (adică pe baza altor concepte de bază) și auxiliar (adică nu vital pentru fundamentarea legile termodinamicii), prevederi legate de temperatură, sunt incluse în sistemul general de axiome [44] [45] .

Note

  1. ↑ Fizica. Marele Dicționar Enciclopedic, 1998 , p. 751.
  2. ↑ 1 2 Bulidorova G. V. et al., Physical Chemistry, 2012 , p. optsprezece.
  3. ↑ 1 2 Bulidorova G. V. et al., Fundamentals of Chemical Thermodynamics, 2011 , p. 17.
  4. ↑ 1 2 3 Ivanov A. E., Ivanov S. A., Mecanica. Fizica moleculară și termodinamică, 2012 , p. 666.
  5. ↑ 1 2 Mironova G. A. et al., Molecular physics and thermodynamics in questions and tasks, 2012 , p. 57.
  6. ↑ 1 2 Rumer Yu. B., Ryvkin M. Sh., Termodinamică, fizică statistică și cinetică, 2000 , p. 37.
  7. ↑ 1 2 Kushnyrev V. I. și colab., Termodinamică tehnică și transfer de căldură, 1986 , p. 12, 57-58, 83.
  8. ↑ 1 2 3 Zalewski K., Termodinamică fenomenologică și statistică, 1973 , p. 11-12.
  9. ↑ 1 2 Vukalovich M. P., Novikov I. I., Termodinamică, 1972 , p. unsprezece.
  10. ↑ 1 2 Radushkevich L.V., Curs de termodinamică, 1971 , p. 5.
  11. ↑ 1 2 3 A. Sommerfeld, Thermodynamics and Statistical Physics, 1955 , p. unsprezece.
  12. ↑ Borshchevsky A. Ya., Physical chemistry, vol. 1, 2017 , p. 40.
  13. ↑ Sviridonov M. N., Dezvoltarea conceptului de entropie în lucrările lui T. A. Afanasyeva-Ehrenfest, 1971 .
  14. ↑ Afanas'eva-Ehrenfest T. A., Irreversibilitatea, unilateralitatea și a doua lege a termodinamicii, 1928 , p. 25.
  15. ↑ R. Fowler, E. Guggenheim, Statistical Thermodynamics, 1949 , p. 79.
  16. ↑ 1 2 Mortimer RG, Physical Chemistry, 2008 , pp. 110-111.
  17. ^ Fowler RH, Guggenheim EA, Statistical Thermodynamics, 1939 .
  18. ↑ Brown HR, Uffink J. The Origins of time-asymmetry in thermodynamics: The minus first law  //  Studies In History and Philosophy of Science Part B: Studies In History and Philosophy of Modern Physics. - Elsevier, 2001. - Vol. 32, nr. 4 . - P. 525-538. - doi : 10.1016/S1355-2198(01)00021-1 .
  19. ↑ Este curios că numind principiul zero postulatul existenței temperaturii, autorii îl pot justifica totuși prin intermediul axiomei tranzitivității echilibrului termic ( Manakov N. L., Marmo S. I. , Lecturi de termodinamică și fizică statistică, partea 1). , 2003, p. 7-8).
  20. ↑ Kvasnikov I. A., Fizica moleculară, 2009 , p. 24-26.
  21. ↑ Kvasnikov I. A., Termodinamică și fizică statistică, vol. 1, 2002 , p. 20-22.
  22. ↑ 1 2 3 Kubo R., Termodinamică, 1970 , p. 12.
  23. ↑ 1 2 Borshchevsky A. Ya., Physical chemistry, vol. 1, 2017 , p. 54-65.
  24. ↑ Kruglov A. B. et al., Ghid de termodinamică tehnică, 2012 , p. 8-9.
  25. ↑ 1 2 Bazarov I.P., Termodinamică, 2010 , p. 17-19.
  26. ↑ Manakov N. L., Marmo S. I., Prelegeri despre termodinamică și fizică statistică, partea 1, 2003 , p. 6-8.
  27. ↑ Manakov N. L., Marmo S. I., Prelegeri despre termodinamică și fizică statistică, partea 1, 2003 , p. 7-8.
  28. ↑ I. Prigozhin, D. Kondepudi, Termodinamică modernă, 2002 , p. douăzeci.
  29. ↑ Petrov N., Brankov J., Modern problems of thermodynamics, 1986 , p. treizeci.
  30. ↑ Novikov I.I., Termodinamică, 1984 , p. 11-12.
  31. ↑ Pippard AB, Elemente de termodinamică clasică, 1966 , p. 9.
  32. ↑ Samoylovich A. G., Termodinamică și fizică statistică, 1955 , p. zece.
  33. ↑ Enciclopedia fizică, vol. 4, 1994 , p. 196.
  34. ↑ Putilov K. A., Termodinamică, 1971 , p. 201.
  35. ↑ Karyakin N.V., Fundamentals of chemical thermodynamics, 2003 , p. 322.
  36. ↑ Leontovici M. A. Introducere în termodinamică, 1983 , p. 29-32.
  37. ↑ Yu. G. Rudoy, ​​​​Structura matematică a termodinamicii de echilibru și mecanică statistică, 2013 , p. 70.
  38. ↑ Kudinov I. V., Stefanyuk E. V., Fundamentele teoretice ale ingineriei termice, partea 1, 2013 , p. patru.
  39. ↑ Rozman G. A., Termodinamică și fizică statistică, 2003 , p. zece.
  40. ↑ Kudinov V. A., Kartashov E. M., Termodinamică tehnică, 2001 , p. 6.
  41. ↑ Maksimov L. A. et al., Lectures on Statistical Physics, 2009 , p. 5-6.
  42. ^ K. Truesdell, Primary Course in Rational Continuum Mechanics, 1975 , p. 400.
  43. ↑ O mărime macroscopică locală caracterizează o zonă distinsă mental (volum elementar) a unui mediu continuu (continuum), ale cărui dimensiuni sunt infinitezimale în comparație cu neomogenitățile mediului și infinit de mari în raport cu dimensiunile particulelor (atomi, ioni). , molecule etc.) ale acestui mediu ( Zhilin P. A. , Rational continuum mechanics, 2012, p. 84)
  44. ↑ Giles R., Fundamentele matematice ale termodinamicii, 1964 .
  45. ↑ Lieb EH , Yngvason J. Fizica și matematica celui de-al doilea drept al termodinamicii  //  Physics Reports. - Elsevier, 1999. - Vol. 310, nr. 1 . - P. 1-96. - doi : 10.1016/S0370-1573(98)00082-9 .

Literatură

 Termodinamica
Secțiuni de termodinamică
Principiile termodinamicii