Термодинамика — наука, изучающая внутренние равновесные состояния макроскопических тел. Предметом термодинамики являются также законы взаимопреобразования и передачи энергии. Термодинамика описывает макроскопические параметры систем без конкретных предположений относительно их микроскопического устройства.
В основе термодинамики лежат три феноменологических закона, сформулированные на основе экспериментальных данных и принимаемые как постулаты.
Нулевое (или общее) начало термодинамики — это принцип, согласно которому изолированная термодинамическая система независимо от начального состояния в конце концов приходит к состоянию термодинамического равновесия и самостоятельно выйти из него не может.
Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии в применении к термодинамическим системам. В наиболее простой форме его выражает соотношение:
ΔU = ΔQ + A, (1)
где U — внутренняя энергия тела, причем измерять удается только изменение внутренней энергии ΔU; ΔQ — количество теплоты; A — работа, совершенная над системой.
Внутренняя энергия тела — его полная энергия за вычетом кинетической энергии тела как целого и потенциальной энергии тела во внешнем поле сил. Это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Следовательно, внутренняя энергия складывается из кинетической энергии хаотического движения молекул, потенциальной энергии взаимодействия между ними и внутримолекулярной энергии.
Второе начало термодинамики накладывает ограничения на направление термодинамических процессов, запрещая самопроизвольную передачу тепла от более холодных тел к более горячим. Также формулируется как закон возрастания энтропии.
Термодинамическая энтропия S (или просто энтропия) в термодинамике является функцией состояния термодинамической системы; её существование постулируется вторым началом термодинамики. Понятие энтропии было впервые введено в 1865 году Р.Клаузиусом. Он определил изменение энтропии термодинамической системы при обратимом процессе как отношение изменения общего количества тепла ΔQ к величине абсолютной температуры T:
dS =
Другое определение энтропии
S = k ln Z,
где Z — термодинамическая вероятность состояния или, другими словами, число микросостояний, соответствующих данному макросостоянию (число возможных изменений в мире атомов тела в данном состоянии), k = 1,3806504*10-23Дж/К — постоянная Больцмана. Чем больше Z, тем больше хаос, т.е. энтропия - характеристика хаоса, беспорядка.
Коэффициент пропорциональности k и есть постоянная Больцмана. Это выражение, определяющее связь между микроскопическими (Z) и макроскопическими состояниями (S), выражает центральную идею статистической механики.
Клаузиус, исходя из второго начала термодинамики, пришёл к выводу, что энтропия Вселенной как замкнутой системы стремится к максимуму, и в конце концов во Вселенной закончатся все макроскопические процессы. Это состояние Вселенной получило название "тепловой смерти". Однако вывод о неизбежности "тепловой смерти Вселенной" является неправомерным, поскольку любая часть Вселенной не является сама по себе замкнутой и её приближение к состоянию теплового равновесия не является абсолютным. Термодинамическое же описание Вселенной как целого возможно лишь в рамках общей теории относительности, в которой вывод о приближении энтропии к максимуму не имеет места.
Третье начало термодинамики говорит о том, как энтропия ведет себя вблизи абсолютного нуля температур. Макс Планк сформулировал третье начало термодинамики, как условие обращения в нуль энтропии при стремлении температуры к абсолютному нулю.