13.1: Вступ

Last updated
Save as PDF

Page ID: 74555

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Останні дві лекції цього семестру стосуються термодинаміки, надзвичайно важливої галузі фізики, яка розвивалася протягом 19 століття, частково мотивована розвитком парових двигунів, що призвели до промислової революції. Фізичні спеціальності вивчатимуть термодинаміку набагато більшою тривалістю в університетській фізиці III та наступних курсах, тоді як інженерні та хімічні спеціальності зіткнуться з нею також на спеціалізованих курсах з власних дисциплін.

Насправді немає термодинаміки, але ви можете задатися питанням, навіщо виховувати її тут (у цьому курсі, в цей час) взагалі? Відповідь двояка:

З точки зору вивчення енергії та її перетворень, що було однією з головних тем цього курсу, термодинаміка надає нам останні відсутні шматки: саме тут ми з'ясовуємо, що таке теплова енергія насправді, і чим вона відрізняється від інших форм енергії (настільки, що ми сказати, що енергія була «розсіяна» або «втрачена», коли вона стає тепловою енергією). Також тут ми маємо справу з іншим способом, яким енергія може передаватися з системи в іншу (іншу, тобто, ніж виконуючи роботу): це «пряма передача теплової енергії», або те, що зазвичай називають обміном тепла.
З точки зору вивчення руху, яке також було ще однією темою, що працює, термодинаміка також являє собою наступний логічний крок за межі того, що ми дізналися досі. Нагадаємо, що ми почали дивитися на рух витягнутих об'єктів так, ніби це прості точкові частинки, що рухаються в цілому разом зі своїм центром мас, і повільно вводили інструменти для боротьби з більш складними видами руху: спочатку обертаннями жорсткого тіла, потім пружними деформаціями (хвилями), в яких є складові частини об'єкта рухаються відносно один одного таким чином, що виглядає «організовано» або синхронізовано з макроскопічної точки зору. Далі потрібно враховувати випадковий рух у мікроскопічному масштабі найменших частин (атомів або молекул), що складають розширений об'єкт. Цей рух відбувається постійно, і він є ключовим компонентом понять теплової енергії і температури.

Концептуально термодинаміка передбачає введення двох нових фізичних величин, температури і ентропії. Температура буде введена в цій лекції, а ентропія - в наступній. Цікаво з самого початку зазначити, що вони сильно відрізняються від усіх величин, які ми ввели до цього семестру, фундаментальним чином. У класичній фізиці, принаймні, немає труднощів у поширенні всіх цих інших величин на вивчення найдрібніших частин, що складають об'єкт: ми цілком можемо говорити про положення, швидкість або енергію молекули. Але температура і ентропія - це статистичні величини, які тільки правильно визначені, з фундаментальної точки зору, для великої сукупності (малих) підсистем: говорити про температуру або ентропії однієї молекули немає сенсу. Це свідчить про те, що дійсно відбулася глибока зміна перспективи та методології в класичній фізиці, коли була розроблена статистична механіка (частина фізики, яка забезпечує мікроскопічну основу для термодинаміки).