1954687390

Historia o tym, jak nauczono się mierzyć temperaturę, jest interesująca i niezwykła. Termometry wymyślono znacznie wcześniej niż zrozumiano, co w rzeczywistości one mierzą. J.A. Smorodinskij [l]^{1 2}

1. Wprowadzenie

Termodynamika to dział fizyki zajmujący się: [2-18]

■    prawami rządzącymi przemianami energii z jednej postaci w inną,

■    kierunkami przepływu energii,

■    sposobami stosowania energii do wykonywania pracy.

Przedmiotem jej zainteresowania są właściwości fizyczne układów makroskopowych (oznaczonych dalej skrótem UM), zawierających ogromną liczbę N atomów (lub cząsteczek), która jest rzędu liczby Avogadra Na = 6,022 ■ 10²³. Dlatego też próba mikroskopowego opisu UM w ramach mechaniki Newtona jest pozbawiona praktycznego sensu².

Układ makroskopowy charakteryzuje w danej chwili czasu jego stan^{3 4}, określony za pomocą parametrów termodynamicznych (zwanych także parametrami stanu lub parametrami makroskopowymi). Parametrami stanu układu są m.in. temperatura, masa, gęstość masy, koncentracja cząsteczek, objętość, ciśnienie, ciepło właściwe, ciepło molowe, moduł sprężystości, stała dielektryczna, współczynniki: przewodnictwa cieplnego, rozszerzalności cieplnej i wiele innych.

Wszelkie procesy termodynamiczne, czyli zmiany parametrów stanu odbywające się w czasie, zachodzą zgodnie z zasadami termodynamiki, a także innymi, specyficznymi dla danego układu lub procesu, prawami (typu równanie stanu, równanie przemiany).

Przytoczone i dość obszernie opisane w tym opracowaniu cztery zasady termodynamiki tworzą zbiór pewników (aksjomatów), na których opiera się termodynamika klasyczna. Obserwowane właściwości termodynamiczne układów są zgodne z zasadami termodynamiki. Inne prawa rządzące zjawiskami termodynamicznymi są otrzymywane zazwyczaj na podstawie doświadczenia (rzeczywistego lub myślowego). Taki sposób podejścia do opisu właściwości układów i zjawisk termodynamicznych przyjęto nazywać opisem fenomenologicznym, a termodynamikę klasyczną określać mianem termodynamiki fenomenologicznej.

Podstawowymi pojęciami, na których jest oparta termodynamika fenomenologiczna, są: temperatura (rozdział 2), energia wewnętrzna (rozdział 3) oraz entropia (rozdział 4).

Uzasadnienie praw termodynamiki fenomenologicznej można przeprowadzić w ramach fizyki statystycznej. Szczególnie interesująca jest tutaj statystyczna interpretacja II zasady termodynamiki, o której jest mowa w rozdziale 7.

5

1

Liczby podane w nawiasach kwadratowych wskazują na pozycje znajdujące się w spisie literatury, zamykającym to opracowanie.

2

Jednoznaczne określenie mikrostanu układu wymaga podania astronomicznie dużego zbioru liczb, zawierającego 3Aa danych określających położenia cząsteczek oraz 3Aa liczb określających ich pędy. Chcąc opisać ewolucję czasową takiego układu należałoby określić w każdej chwili czasu (tj. dla to, ti = to + At, t2 = to + 2At, itd., gdzie At jest wybranym okresem czasu) zbiór 6Aa liczb zadający wartości wektorów położenia i pędu (r«, Pi, i ⁼ 1,2,..., Aa) w poszczególnych chwilach czasu. Jest to zadanie przerastające możliwości obliczeniowe współczesnych komputerów. Spróbujmy oszacować jak długo trwałoby samo czytanie ciągu 6Aa liczb. W tym celu załóżmy, że komputer wczytuje 100 milionów liczb na sekundę (obecnie produkowane mikroprocesory firm INTEL i AMD wykonują w ciągu sekundy liczbę operacji rzędu 10⁹). Policzmy, ile czasu zajmie przeczytanie 6Aa liczb. W ciągu roku nieprzerwanej pracy komputer wczyta około 3,1 • 10¹⁵ liczb. Cale zadanie wykona po upływie około 12 • 10⁸ lat, co odpowiada trzem setnym czasu życia Wszechświata! Wystarczy więc wziąć pod uwagę układ zawierający około 30Aa molekuł (a metr sześcienny gazu doskanałego w warunkach normalnych zawiera około 2,6 • 10²⁵ cząsteczek). Wczytanie przez komputer ciągu 2,6 • 10²⁵ liczb zajęłoby mu czas porównywalny z wiekiem Wszechświata, który jest oceniany za [19-21] na 15 • 10⁹ lat, tj. 5 ■ 10¹⁷ — 10¹⁸s.

3

Znaczenia stosowanych tutaj podstawowych pojęć termodynamicznych są podane w słowniku terminolo

4

gicznym (rozdział 9).