A termikus egyensúly tranzitivitásának törvénye

A termikus egyensúly tranzitivitásának törvénye (nulla törvény, termodinamika nulla törvénye ) bevezeti a fizikába az empirikus hőmérséklet fogalmát, mint olyan fizikai mennyiséget , amely nagyon sok makroszkopikus objektum állapotának jellemzésére alkalmas [1] [2] [3] [4] [5] [6] [ 7] [8] [9] [10] [11] . Példa egy olyan makroszkopikus objektumra, amelynek állapotának leírásához nincs szüksége hőmérsékletre és egyéb termikus mennyiségekre, egy abszolút szilárd test [12] . A hőrendszerek , azaz a makroszkopikus rendszerek, amelyekre a hőmérséklet fogalma vonatkozik, a termodinamika , a statisztikai fizika és a kontinuumfizika tanulmányozásának tárgyát képezik . Az abszolút merev test nem tartozik a termikus rendszerek közé.

Történelmi háttér

1925-ben T. A. Afanas'eva-Ehrenfest kimutatta [13] , hogy a termodinamikai törvények rendszerét ki kell egészíteni a termodinamikai egyensúly létezésének axiómájával ( Afanas'ev :)posztulátuma [14] , és R. Fowler 1931-ben, Sakha indiai asztrofizikussal és munkatársával, V. Srivartavával folytatott megbeszélésen egy másik axiómát fogalmazott meg – a hőmérséklet létezését ( Fowler posztulátuma ) [15] [11] [16] , amely a R. Fowler és E. Guggenheim [17] monográfiája a „termodinamika nulla törvénye” nem túl jó elnevezést kapta, mivel ez a törvény kronológiailag az utolsó a termodinamika felsorolt ​​törvényei közül . A „mínusz a termodinamika első törvénye” [18] kifejezés megjelenése előtt , amely a termodinamika egyik alaptörvényének státuszát a termodinamikai egyensúly létezésének axiómájához rendelte, Afanasjev posztulátumai (leszámítva a termodinamika első törvényét). termodinamika) és Fowler (a hőmérséklet léte [19] ) egyes szerzők a termodinamika zéró törvényeként értelmezték [20] [21] [22] (a továbbiakban pusztán didaktikai okokból a nulla elvnek ezt az értelmezését alkalmazzuk ), míg más szerzők ezeket a posztulátumokat független axiómáknak tekintették [23] [24] [25] [26] , vagyis a nulla elv szerint csak a termikus egyensúly tranzitivitásának törvényét és ennek következményét, egy empirikus hőmérséklet létezését [4]. [16] [27] [28] [29] [30] [8] [9] [31] .

A hazai szakirodalomban a termodinamikai egyensúly létezésének posztulátumát néha a termodinamika első kiinduló helyzetének, a termikus egyensúly tranzitivitásának törvényét pedig a termodinamika második kiinduló helyzetének [23] [25] .

A termodinamikai egyensúly létezésének posztulátuma

A termodinamika nulla törvényében szereplő két posztulátum közül az első – a termodinamikai egyensúly létezésének posztulátuma [22]  – azt állítja, hogy egy makroszkopikus rendszer állandó külső körülmények között mindig spontán módon kerül termodinamikai egyensúlyi állapotba, amelyet az jellemez, hogy tény, hogy:

Termodinamikai egyensúly esetén teljesülnek a parciális egyensúlyok: mechanikai, kémiai, termikus stb., vagyis a parciális egyensúly létrejötte a termodinamikai egyensúly szükséges feltétele. A termodinamikában az elegendő egyensúlyi feltételeket (stabilitási feltételeket) veszik figyelembe. Most megjegyezzük, hogy amikor a rendszert két részre (alrendszerekre) osztják fel egy válaszfal segítségével, amely bizonyos tulajdonságokkal rendelkezik (merev vagy mozgatható, a rendszer kémiai összetevőit át nem eresztő vagy félig áteresztő, hőszigetelő adiabatikus vagy hővezető diatermális) [33] szerint a termodinamikai egyensúly fenntartásának feltétele a rendszer egészére vonatkozóan az alrendszerei közötti parciális egyensúly valamelyikének teljesülésére redukálható. A merev és anyagot át nem eresztő diatermális válaszfal használata az egész rendszer termodinamikai egyensúlyi állapotát az alrendszereinek termikus egyensúlyára csökkenti. A „hővezető (diatermikus) válaszfal szigorú meghatározására tett kísérlettel járó nehézségek megkerülése érdekében ezt a kifejezést alapvetőnek fogjuk tekinteni, vagyis olyannak, amelyre csak leíró definíció lehetséges. de nem definíció más, általánosabb kifejezéseken keresztül, mert ilyen egyszerűen nem létezik.

Putilov termodinamikai megengedhetőségi elve

Helyénvalónak tűnik a következő kitérő megtétele, amely közvetlenül kapcsolódik a későbbi bemutatáshoz. A termodinamikában meglehetősen elterjedt a különféle képzeletbeli idealizált testek, eszközök és mechanizmusok használata gondolatkísérletekhez. Az a tény, hogy egy ilyen megközelítés nem vezet ellentmondáshoz az elmélet és a kísérleti adatok között, lehetővé tette K. A. Putilov számára, hogy megfogalmazza a következő állítást [34] : a termodinamikában megengedhető bármilyen képzeletbeli test és a tulajdonságaikban idealizált eszköz kockázat nélkül, ezeket alkalmazva. Az érvelésben szereplő reprezentációk helytelen eredményre jutnak, ha korábban bebizonyosodott, hogy megvalósításuk, bármilyen valószínűtlen is a tulajdonságaik, nem mond ellent sem a termodinamika első, sem második főtételének ( Putilov termodinamikai megengedhetőségi elve [35] ). Anélkül, hogy természeti törvénynek tartanánk, ez az elv azonban nem vezethető le a termodinamika törvényeiből, és ha formális szempontból alkalmazzuk, akkor a termodinamika egyik posztulátumának kell tekinteni.

A termikus egyensúly tranzitivitásának törvénye

A nulla törvényben szereplő második posztulátum, a termikus egyensúly tranzitivitásának törvénye kimondja, hogy ha két termodinamikai rendszer , amelyeket merev és anyag számára áthatolhatatlan diatermális válaszfal választ el egymástól, termikus egyensúlyban van egymással, akkor bármely harmadik rendszer, amely termikus egyensúlyban van az első két rendszer egyikével, a másik rendszerrel is termikus egyensúlyban lesz [22] .

Úgy tűnhet, hogy a tranzitivitás törvénye magától értetődő, de nem az (egy gyapjúval dörzsölt borostyándarab semleges bodzagolyót vonz; egy másik borostyándarab ugyanígy fog viselkedni, de két darab a borostyán nem fog vonzódni egymáshoz).

A termikus egyensúly tranzitivitásának törvényéből levonható [8] [36] , hogy létezik egy termodinamikai állapotfüggvény , az  empirikus hőmérséklet, amely minden termikus egyensúlyi állapotban lévő rendszerre azonos értékű. Segítségével a rendszerek termikus egyensúlyának feltétele arra a követelményre redukálódik, hogy hőmérsékletük egyenlő legyen. Az ebben az esetben felmerülő önkényességet a hőmérsékleti skála kiválasztásával küszöböljük ki . A nyitott rendszer által befogadott/ eladott fogalmával kapcsolatos nehézségek (lásd a "hő" és a "munka" fogalmak kétértelműsége ) korlátozzák a termikus egyensúly tranzitivitásának törvényének alkalmazhatóságát (és innen a hőegyensúly létjogosultságát). tapasztalati hőmérséklet) zárt rendszerekkel .

Axiomatikus megközelítés

A termodinamika felépítésének hagyományos axiomatikus megközelítésében, amely lehetővé teszi különösen a különböző típusú válaszfalakkal kapcsolatos elképzelések mellőzését, a termikus egyensúly tranzitivitásának posztulátumát, amelyből az empirikus hőmérséklet léte származik, felváltja - analógia a termodinamika első és második törvényével, amelyek mindegyike igazolja egy bizonyos állapotfüggvény létét [37] , — az empirikus hőmérséklet létezésének posztulátumáról [38] [4] [5] [2] [3] [39] [40] [6] [7] [10]  – van egy termodinamikai állapotfüggvény, amelyet tapasztalati hőmérsékletnek neveznek, és a következő tulajdonságokkal rendelkezik [11] :

A hőmérsékleti tulajdonságok teljes listája a különböző axiomatikus rendszerek esetében eltérő. Megjegyzendő, hogy a racionális termodinamika alapvető posztulátuma – az abszolút termodinamikai hőmérséklet létezésének és tulajdonságainak posztulátuma [41] [42] – Sommerfeld megfogalmazásában a nulla elven és a hőmérsékletnek mint lokális makroszkopikus mennyiségnek az elképzelésén alapul [43]. ] .

A termodinamika felépítésének modernebb axiomatikus megközelítésével, amely a "hő" fogalmának az alapról a másodlagosra (vagyis más alapfogalmakra alapozva) és a kisegítőre (azaz nem létfontosságú a hőség alátámasztásához) való fordításán alapul. termodinamika törvényei), a hőmérsékletre vonatkozó rendelkezések szerepelnek az általános axiómarendszerben [44] [45] .

Jegyzetek

  1. Fizika. Nagy enciklopédikus szótár, 1998 , p. 751.
  2. 1 2 Bulidorova G. V. et al., Physical Chemistry, 2012 , p. tizennyolc.
  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., Mechanika. Molekuláris fizika és termodinamika, 2012 , p. 666.
  5. 1 2 Mironova G. A. et al., Molekuláris fizika és termodinamika kérdésekben és feladatokban, 2012 , p. 57.
  6. 1 2 Rumer Yu. B., Ryvkin M. Sh., Termodinamika, statisztikai fizika és kinetika, 2000 , p. 37.
  7. 1 2 Kushnyrev V. I. et al., Technikai termodinamika és hőátadás, 1986 , p. 12, 57-58, 83.
  8. 1 2 3 Zalewski K., Fenomenológiai és statisztikai termodinamika, 1973 , p. 11-12.
  9. 1 2 Vukalovich M. P., Novikov I. I., Termodinamika, 1972 , p. tizenegy.
  10. 1 2 Radushkevich L.V., A termodinamika pályája, 1971 , p. 5.
  11. 1 2 3 A. Sommerfeld, Thermodynamics and Statistical Physics, 1955 , p. tizenegy.
  12. Borshchevsky A. Ya., Fizikai kémia, 1. kötet, 2017 , p. 40.
  13. Sviridonov M. N., Az entrópia fogalmának fejlődése T. A. Afanasyeva-Ehrenfest munkáiban, 1971 .
  14. Afanas'eva-Ehrenfest T. A., Irreverzibilitás, egyoldalúság és a termodinamika második főtétele, 1928 , p. 25.
  15. R. Fowler, E. Guggenheim, Statisztikai termodinamika, 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. Az idő-aszimmetria eredete a termodinamikában: A mínusz első törvény  //  Studies In History and Philosophy of Science B rész: Studies In History and Philosophy of Modern Physics. - Elsevier, 2001. - Vol. 32. sz. 4 . - P. 525-538. - doi : 10.1016/S1355-2198(01)00021-1 .
  19. Érdekes, hogy a nulla elvet a hőmérséklet létezésének posztulátumának nevezve a szerzők a hőegyensúly tranzitivitásának axiómájával mégis igazolni tudják ( Manakov N. L., Marmo S. I. , Előadások a termodinamikáról és statisztikai fizikáról, 1. rész , 2003, 7-8.
  20. Kvasnikov I. A., Molekuláris fizika, 2009 , p. 24-26.
  21. Kvasnikov I. A., Termodinamika és statisztikai fizika, 1. kötet, 2002 , p. 20-22.
  22. 1 2 3 Kubo R., Termodinamika, 1970 , p. 12.
  23. 1 2 Borshchevsky A. Ya., Fizikai kémia, 1. kötet, 2017 , p. 54-65.
  24. Kruglov A. B. et al., Útmutató a műszaki termodinamikához, 2012 , p. 8-9.
  25. 1 2 Bazarov I.P., Termodinamika, 2010 , p. 17-19.
  26. Manakov N. L., Marmo S. I., Előadások a termodinamikáról és statisztikus fizikáról, 1. rész, 2003 , p. 6-8.
  27. Manakov N. L., Marmo S. I., Előadások a termodinamikáról és statisztikus fizikáról, 1. rész, 2003 , p. 7-8.
  28. I. Prigozhin, D. Kondepudi, Modern termodinamika, 2002 , p. húsz.
  29. Petrov N., Brankov J., A termodinamika modern problémái, 1986 , p. harminc.
  30. Novikov I. I., Termodinamika, 1984 , p. 11-12.
  31. Pippard AB, A klasszikus termodinamika elemei, 1966 , p. 9.
  32. Samoylovich A. G., Termodinamika és statisztikai fizika, 1955 , p. tíz.
  33. Fizikai enciklopédia, 4. kötet, 1994 , p. 196.
  34. Putilov K. A., Termodinamika, 1971 , p. 201.
  35. Karyakin N.V., A kémiai termodinamika alapjai, 2003 , p. 322.
  36. Leontovich M. A. Bevezetés a termodinamikába, 1983 , p. 29-32.
  37. Yu. G. Rudoy, ​​Az egyensúlyi termodinamika és a statisztikai mechanika matematikai szerkezete, 2013 , p. 70.
  38. Kudinov I. V., Stefanyuk E. V., A hőtechnika elméleti alapjai, 1. rész, 2013 , p. négy.
  39. Rozman G. A., Termodinamika és statisztikai fizika, 2003 , p. tíz.
  40. Kudinov V. A., Kartashov E. M., Műszaki termodinamika, 2001 , p. 6.
  41. Maksimov L. A. et al., Statisztikai fizika előadások, 2009 , p. 5-6.
  42. K. Truesdell, Primary Course in Rational Continuum Mechanics, 1975 , p. 400.
  43. A lokális makroszkopikus mennyiség egy folytonos közeg (kontinuum) mentálisan megkülönböztetett területét (elemi térfogatát) jellemzi, amelynek méretei a közeg inhomogenitásaihoz képest végtelenül kicsik és a részecskék (atomok, ionok) méretéhez képest végtelenül nagyok. , molekulák stb.) ennek a közegnek ( Zhilin P. A. , Rational continuum mechanics, 2012, 84. o.)
  44. Giles R., Mathematical Foundations of Thermodynamics, 1964 .
  45. Lieb EH , Yngvason J. A termodinamika második főtételének fizikája és matematikája  //  Physics Reports. - Elsevier, 1999. - 1. évf. 310, sz. 1 . - P. 1-96. - doi : 10.1016/S0370-1573(98)00082-9 .

Irodalom