2.1. Предмет і метод термодинаміки

Для аналізу великого кола явищ і процесів, розв'язання багатьох практичних завдань більш продуктивним виявляється застосування методів термодинаміки. Термодинаміка вивчає загальні властивості тіл і різні процеси в них, що супроводжуються перетворенням енергії, без використання якої небудь певної моделі будови речовини і без висловлювання припущень щодо законів взаємодії частинок, з яких складається тіло.

Термодинаміка – один із розділів фізики, що складається із найбільш загальних фізичних теорій. ЇЇ метод дослідження і закони використовуються у самих різних галузях науки: в теоретичній фізиці та фізиці твердого тіла, у фізичній хімії, металургії і металознавстві, у теорії теплових машин і в біології.

Термін «термодинаміка» введено в науку у 1854 році англійським фізиком Уїльямом Томсоном (1824–1907), який за видатні наукові досягнення одержав титул лорда Кельвіна. Термін складено із грецьких слів thermos – теплота и dynamikos – силовий. І за початковим значенням назви, і за змістом це наука про теплові процеси, що протікають в умовах рівноваги всіх сил. Пізніше «динамікою» стали позначати дію. Наприклад, динамікою називається розділ механіки, що вивчає рух тіл.

Термодинаміка побудована за аксіоматичним принципом: фундаментальні закони природи приймаються як основні аксіоми, які називаються принципами термодинамі ки. Із них логічним шляхом виводяться всі наслідки, які характеризують різні термодинамічні системи і процеси, що в них відбуваються.

Для аналізу реальних процесів використовуються фізичні величини, що характеризують властивості тіл з макроскопічною кількістю речовини (температура, тиск, об'єм, теплоємність) і енергетичні ефекти, якими супроводжуються процеси (тепловий ефект, механічна робота, електрична робота). Механізм процесів і явищ не розглядається, тобто класична термодинаміка є феноменологічною наукою (грецьке ϕαινομενον – те, що з'являється). Феноменологічний підхід до досліджень використовується і в інших науках, але у термодинаміці він досягнув найбільшого розвитку і тому зазвичай називається термо динамічним методом дослідження, а класична термодинаміка – феноменологічною термодинамікою. Аналіз робочих процесів різних пристроїв перетворення енергії, тобто технічне застосування термодинаміки, складає важливу складову частину сучасної термодинаміки; цю частину, зважаючи на її велике значення, виділяють зазвичай у самостійний розділ і називають технічною термодинамікою. Сучасна технічна термодинаміка є основою теорії теплових двигунів, теплових машин і різних пристроїв та технологічних процесів, в яких як вихідна енергія, що зазнає перетворень у робочому процесі, використовується теплота; те ж саме основоположне значення має технічна термодинаміка для прямих перетворювачів енергії, в яких внутрішня енергія тіл чи енергія полів перетворюється на енергію електричного струму. Виникнення термодинаміки було викликане потребами практичної теплотехніки.

Значення термодинаміки полягає в тому, що вона встановлює принципи найбільш ефективного перетворення різних видів енергії і дає відповідь на першорядне з практичної точки зору питання про те, як організувати робочий процес, щоб к.к.д. був найбільшим. Термодинаміка дає можливість прогнозувати і оцінювати ефективність різних нових способів одержання корисної роботи, що має визначальне значення для вибору напрямків розвитку енергетики.