Lagen om transitivitet för termisk jämvikt

Lagen om transitivitet för termisk jämvikt (nolllag, termodynamikens nolllag ) introducerar begreppet empirisk temperatur i fysiken som en fysisk storhet som är lämplig för att karakterisera tillståndet för väldigt många makroskopiska objekt [1] [2] [3] [4] [5] [6] [ 7] [8] [9] [10] [11] . Ett exempel på ett makroskopiskt objekt som inte behöver använda temperatur och andra termiska storheter för att beskriva sitt tillstånd är en absolut fast kropp [12] . Termiska system , det vill säga makroskopiska system för vilka begreppet temperatur gäller , är föremål för studier i termodynamik , statistisk fysik och kontinuumfysik . En absolut stel kropp tillhör inte termiska system.

Historisk bakgrund

År 1925 visade T. A. Afanas'eva-Ehrenfest [13] att termodynamikens lagar skulle kompletteras med axiomet om existensen av termodynamisk jämvikt ( Afanas'evs :)postulat [14] , och R. Fowler formulerade 1931, under en diskussion med den indiske astrofysikern Sakha och hans medarbetare V. Srivartava, ett annat axiom – förekomsten av temperatur ( Fowlers postulat ) [15] [11] [16] , som efter publiceringen av monografin av R. Fowler och E. Guggenheim [17] , tilldelades det inte alltför bra namnet "termodynamikens nolllag", eftersom denna lag visade sig vara den sista av termodynamikens uppräknade lagar kronologiskt . Före uppkomsten av termen "minus termodynamikens första lag" [18] , som tilldelade statusen för en av termodynamikens grundläggande lagar till axiomet för existensen av termodynamisk jämvikt, postulaten från Afanasiev (minus den första lagen om termodynamisk jämvikt). termodynamik) och Fowler (existensen av temperatur [19] ) tolkades av vissa författare som termodynamikens nolllag [20] [21] [22] (nedan, av rent didaktiska skäl, kommer denna tolkning av nollprincipen att användas ), medan andra författare betraktade dessa postulat som oberoende axiom [23] [24] [25] [26] , vilket med nollprincipen endast betyder lagen om transitivitet för termisk jämvikt och dess konsekvens, förekomsten av en empirisk temperatur [4] [16] [27] [28] [29] [30] [8] [9] [31] .

I inhemsk litteratur kallas postulatet om existensen av termodynamisk jämvikt ibland för termodynamikens första initiala position, och lagen om transitivitet för termisk jämvikt kallas termodynamikens andra initiala position [23] [25] .

Postulatet om existensen av termodynamisk jämvikt

Det första av de två postulaten som ingår i termodynamikens nolllag - postulatet om förekomsten av termodynamisk jämvikt [22]  - hävdar att ett makroskopiskt system under konstanta yttre förhållanden alltid kommer spontant in i ett tillstånd av termodynamisk jämvikt, vilket kännetecknas av att faktum att:

Vid termodynamisk jämvikt uppfylls partiella jämvikter: mekaniska, kemiska, termiska, etc., det vill säga upprättandet av partiell jämvikt är en nödvändig förutsättning för termodynamisk jämvikt. Tillräckliga jämviktsförhållanden (stabilitetsförhållanden) beaktas inom termodynamiken. Nu noterar vi att när man delar upp systemet i två delar (delsystem) med hjälp av en skiljevägg med vissa egenskaper (styv eller rörlig, ogenomtränglig för de kemiska komponenterna i systemet eller semipermeabel, värmeisolerande adiabatisk eller värmeledande diatermi) [33] , kan villkoret för att upprätthålla termodynamisk jämvikt för systemet som helhet reduceras till uppfyllandet av en av de partiella jämvikterna mellan dess delsystem. Användningen av en diatermisk skiljevägg som är styv och ogenomtränglig för materia reducerar tillståndet för termodynamisk jämvikt för hela systemet till den termiska jämvikten för dess delsystem. För att komma runt de svårigheter som är förknippade med ett försök att ge en strikt definition av en "värmeledande (diatermisk) skiljevägg", kommer vi att betrakta denna term som grundläggande, det vill säga en för vilken endast en beskrivande definition är möjlig, men inte en definition genom andra, mer allmänna termer, eftersom sådana helt enkelt inte existerar. .

Putilovs princip om termodynamisk tillåtlighet

Det förefaller lämpligt att göra följande avvikelse, som är direkt relaterad till den efterföljande presentationen. Inom termodynamiken är användningen av olika imaginära idealiserade kroppar, anordningar och mekanismer för tankeexperiment ganska vanligt. Det faktum att ett sådant tillvägagångssätt inte leder till en motsättning mellan teori och experimentella data gjorde det möjligt för K. A. Putilov att formulera följande uttalande [34] : inom termodynamiken är det tillåtet att använda alla imaginära kroppar och anordningar idealiserade i sina egenskaper utan risk, med tillämpning av dessa representationer i resonemang, kommer till felaktiga resultat om det tidigare bevisats att deras implementering, oavsett hur osannolika deras egenskaper, inte skulle motsäga varken termodynamikens första eller andra lag ( Putilovs princip om termodynamisk tillåtlighet [35] ). Utan att göra anspråk på att vara en naturlag kan denna princip inte desto mindre härledas från termodynamikens lagar, och om den tillämpas ur en formell synvinkel måste den betraktas som ett av termodynamikens postulat.

Lagen om transitivitet för termisk jämvikt

Det andra av postulaten som ingår i nolllagen, lagen om transitivitet för termisk jämvikt, säger att om två termodynamiska system , åtskilda av en diatermisk skiljevägg som är styv och ogenomtränglig för materia, är i termisk jämvikt med varandra, då är varje tredje system som är i termisk jämvikt med ett av de två första systemen kommer också att vara i termisk jämvikt med det andra av dessa system [22] .

Det kan tyckas att lagen om transitivitet är självklar, men det är den inte (en bärnstensbit som har gnids in med ull kommer att dra till sig en neutral boll av fläder; en annan bärnstensbit kommer att bete sig på samma sätt, men två delar av bärnsten kommer inte att attraheras av varandra).

Från lagen om transitivitet för termisk jämvikt, härleds [8] [36] att det finns en termodynamisk tillståndsfunktion , den  empiriska temperaturen, som har samma värde för alla system i ett tillstånd av termisk jämvikt. Med dess hjälp reduceras tillståndet för termisk jämvikt hos systemen till kravet att deras temperaturer är lika. Den godtycklighet som uppstår i detta fall elimineras genom att välja en temperaturskala . Svårigheter relaterade till vad som menas med värme som tas emot / ges bort av ett öppet system (se Tvetydighet i begreppen "värme" och "arbete" ) begränsar tillämpligheten av lagen om transitivitet för termisk jämvikt (och därav motiveringen för förekomsten av empirisk temperatur) av slutna system .

Axiomatic approach

I det traditionella axiomatiska tillvägagångssättet för termodynamikens konstruktion, som i synnerhet gör det möjligt att avstå från idéer om olika typer av skiljeväggar, ersätts postulatet om transitiviteten hos termisk jämvikt, från vilken förekomsten av empirisk temperatur härleds, - av analogi med termodynamikens första och andra lag, som var och en motiverar existensen av en viss tillståndsfunktion [37] , — på postulatet om existensen av en empirisk temperatur [38] [4] [5] [2] [3] [39] [40] [6] [7] [10]  — det finns en termodynamisk tillståndsfunktion, som kallas den empiriska temperaturen och har följande egenskaper [11] :

Den kompletta listan över temperaturegenskaper varierar för olika axiomatiska system. Observera att grundpostulatet för rationell termodynamik – postulatet om existensen och egenskaperna hos absolut termodynamisk temperatur [41] [42] – är baserat på nollprincipen i Sommerfelds formulering och idén om temperatur som en lokal makroskopisk storhet [43 ] .

Med ett mer modernt axiomatiskt förhållningssätt till konstruktionen av termodynamik, baserat på översättningen av begreppet "värme" från basen till det sekundära (det vill säga baserat på andra grundläggande begrepp) och hjälpmedlet (det vill säga inte avgörande för att underbygga termodynamikens lagar), bestämmelser relaterade till temperatur, ingår i det allmänna axiomsystemet [44] [45] .

Anteckningar

  1. ↑ Fysik. Big Encyclopedic Dictionary, 1998 , sid. 751.
  2. ↑ 1 2 Bulidorova G. V. et al., Physical Chemistry, 2012 , sid. arton.
  3. ↑ 1 2 Bulidorova G. V. et al., Fundamentals of Chemical Thermodynamics, 2011 , sid. 17.
  4. ↑ 1 2 3 Ivanov A. E., Ivanov S. A., Mekanik. Molecular Physics and Thermodynamics, 2012 , sid. 666.
  5. ↑ 1 2 Mironova G. A. et al., Molekylär fysik och termodynamik i frågor och uppgifter, 2012 , sid. 57.
  6. ↑ 1 2 Rumer Yu. B., Ryvkin M. Sh., Thermodynamics, statistical physics and kinetics, 2000 , sid. 37.
  7. ↑ 1 2 Kushnyrev V. I. et al., Technical thermodynamics and heat transfer, 1986 , sid. 12, 57-58, 83.
  8. ↑ 1 2 3 Zalewski K., Phenomenological and Statistical Thermodynamics, 1973 , sid. 11-12.
  9. ↑ 1 2 Vukalovich M. P., Novikov I. I., Thermodynamics, 1972 , sid. elva.
  10. ↑ 1 2 Radushkevich L.V., Course of thermodynamics, 1971 , sid. 5.
  11. ↑ 1 2 3 A. Sommerfeld, Thermodynamics and Statistical Physics, 1955 , sid. elva.
  12. ↑ Borshchevsky A. Ya., Physical chemistry, vol. 1, 2017 , sid. 40.
  13. ↑ Sviridonov M. N., Utveckling av begreppet entropi i verk av T. A. Afanasyeva-Ehrenfest, 1971 .
  14. ↑ Afanas'eva-Ehrenfest T. A., Irreversibility, one-sidedness and the second law of thermodynamics, 1928 , sid. 25.
  15. ↑ R. Fowler, E. Guggenheim, Statistical Thermodynamics, 1949 , sid. 79.
  16. ↑ 1 2 Mortimer RG, Physical Chemistry, 2008 , pp. 110-111.
  17. ^ Fowler RH, Guggenheim EA, Statistisk termodynamik, 1939 .
  18. ↑ Brown HR, Uffink J. Ursprunget till tidsasymmetri i termodynamiken: Minus första lagen  //  Studies In History and Philosophy of Science Del B: Studies In History and Philosophy of Modern Physics. - Elsevier, 2001. - Vol. 32, nr. 4 . - s. 525-538. - doi : 10.1016/S1355-2198(01)00021-1 .
  19. ↑ Det är märkligt att kalla nollprincipen postulatet om förekomsten av temperatur, men författarna kan ändå motivera den med hjälp av axiomet för den termiska jämviktens transitivitet ( Manakov N. L., Marmo S. I. , Lectures on thermodynamics and statistical physics, del 1 , 2003, s. 7-8).
  20. ↑ Kvasnikov I. A., Molecular Physics, 2009 , sid. 24-26.
  21. ↑ Kvasnikov I. A., Thermodynamics and statistical physics, vol. 1, 2002 , sid. 20-22.
  22. ↑ 1 2 3 Kubo R., Thermodynamics, 1970 , sid. 12.
  23. ↑ 1 2 Borshchevsky A. Ya., Physical chemistry, vol. 1, 2017 , sid. 54-65.
  24. ↑ Kruglov A. B. et al., Guide to teknisk termodynamik, 2012 , sid. 8-9.
  25. ↑ 1 2 Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , sid. 17-19.
  26. ↑ Manakov N. L., Marmo S. I., Föreläsningar om termodynamik och statistisk fysik, del 1, 2003 , sid. 6-8.
  27. ↑ Manakov N. L., Marmo S. I., Föreläsningar om termodynamik och statistisk fysik, del 1, 2003 , sid. 7-8.
  28. ↑ I. Prigozhin, D. Kondepudi, Modern thermodynamics, 2002 , sid. tjugo.
  29. ↑ Petrov N., Brankov J., Modern problems of thermodynamics, 1986 , sid. trettio.
  30. ↑ Novikov I.I., Thermodynamics, 1984 , sid. 11-12.
  31. ↑ Pippard AB, Elements of classical thermodynamics, 1966 , sid. 9.
  32. ↑ Samoylovich A. G., Thermodynamics and statistical physics, 1955 , sid. tio.
  33. ↑ Physical encyclopedia, vol. 4, 1994 , sid. 196.
  34. ↑ Putilov K. A., Thermodynamics, 1971 , sid. 201.
  35. ↑ Karyakin N.V., Fundamentals of chemical thermodynamics, 2003 , sid. 322.
  36. ↑ Leontovich M. A. Introduktion till termodynamik, 1983 , sid. 29-32.
  37. ↑ Yu. G. Rudoy, ​​Mathematical structure of equilibrium thermodynamics and statistical mechanics, 2013 , sid. 70.
  38. ↑ Kudinov I. V., Stefanyuk E. V., Theoretical foundations of heat engineering, del 1, 2013 , sid. fyra.
  39. ↑ Rozman G. A., Termodynamik och statistisk fysik, 2003 , sid. tio.
  40. ↑ Kudinov V. A., Kartashov E. M., Technical thermodynamics, 2001 , sid. 6.
  41. ↑ Maksimov L. A. et al., Lectures on Statistical Physics, 2009 , sid. 5-6.
  42. ↑ K. Truesdell, Primärkurs i rationell kontinuummekanik, 1975 , sid. 400.
  43. ↑ En lokal makroskopisk storhet kännetecknar ett mentalt distingerat område (elementarvolym) av ett kontinuerligt medium (kontinuum), vars dimensioner är oändligt små i jämförelse med mediets inhomogeniteter och oändligt stora i förhållande till storleken på partiklar (atomer, joner) , molekyler, etc.) av detta medium ( Zhilin P. A. , Rational continuum mechanics, 2012, s. 84)
  44. ↑ Giles R., Mathematical Foundations of Thermodynamics, 1964 .
  45. ↑ Lieb EH , Yngvason J. Fysiken och matematiken i termodynamikens andra lag  //  Physics Reports. - Elsevier, 1999. - Vol. 310, nr. 1 . - S. 1-96. - doi : 10.1016/S0370-1573(98)00082-9 .

Litteratur

 Termodynamik
Delar av termodynamiken
Termodynamikens principer