Законы термодинамики. 
Первое и второе начала термодинамики

Задача термодинамики — дать ответы на следующие основные вопросы:

• 1. Может ли при данных условиях идти интересующий нас процесс?
• 2. Если такая возможность установлена, то как он будет проходить?
• 3. И наконец, в каком состоянии окажется система по окончании процесса?

Если это финальное состояние не будет зависеть от времени, то в термодинамике его называют состоянием теплового равновесия.

Отвечать на эти вопросы помогают два закона, которые лежат в основе термодинамики и называются соответственно первым и вторым началом термодинамики.

Первое начало термодинамики — это закон сохранения энергии для термодинамических систем. Согласно данному закону, тепло Q, которое передается системе или теряется ею, идет на изменение внутренней энергии системы U и совершение работы А либо этим телом, либо над этим телом:

Если внутренняя энергия системы не меняется, то AU = 0. Если при этом система не получает и нс отдаст тепло (AQ = 0), она нс совершает работу (ДЛ = 0). Другими словами, первый закон термодинамики отвергает возможность для устройств и машин совершать работу, не получая энергии от какого-либо источника. Это накладывает ограничение на создание вечного двигателя первого рода, производящего работу из ничего.

Второе начало термодинамики. Французский физик и инженер Сади Карно (1796—1832) был первым, кто показал, что только при передаче тепла от более горячего тела к более холодному можно получать полезную работу. Эта положение легло в основу второго закона термодинамики.

Развивая идеи Карно, британский физик и механик Уильям Томсон (барон Кельвин) в 1851 г. сформулировал второй закон (второе начало) термодинамики в таком виде: «В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, полученная за счет охлаждения теплого резервуара». В такой формулировке утверждается, что процессы взаимного превращения тепла и работы не равноценны: если работу можно полностью превратить в тепло (за счет трения, нагрева электрическим током и т. д.), то тепло полностью не превращается в работу. Согласно второму закону термодинамики, невозможно создать машину, которая неоднократно и полностью превращает тепло в работу (подобная машина получила название вечного двигателя второго рода).

Термодинамика равновесных систем. Представление о термодинамическом равновесии, одном из фундаментальных понятий классической термодинамики, не имеет логического определения и задается как обобщение экспериментальных фактов. Из этих фактов следовало, что замкнутая термодинамическая система, внешние условия для которой остаются неизменными, со временем перейдет в равновесное состояние, и в ней прекратятся все макроскопические процессы. Однако в такой системе могут протекать различные процессы на микроскопическом уровне, например химические реакции, которые могут идти и в прямом, и в обратном направлении. В среднем эти процессы будут компенсировать друг друга, оставляя макроскопические параметры системы неизменными. Но это в среднем, так как в системе будут иметь место флуктуации, выводящие систему из положения равновесия. Расчет поведения флуктуаций проводится методами статистической физики.