مقدمه

ترموديناميك، چنان كه از نامش  برمي‌آيد، به مطالعه گرما و حركت، روابط بين گرما و انرژي مكانيكي، الكتريكي، و ساير انرژيها، مربوط مي‌شود.. ترموديناميك، كه بر پايه چند اصل  بنيادي بنا مي‌شود، به كمك استنتاج دقيق و منطقي، دستگاهي مستحكم و در عين حال فراگير را مي‌سازد. استدلالهاي ترموديناميكي بسيار ساده‌اند و به شناخت بنيادهاي ميكروسكوپي، يا ساير جزئيات دستگاه مورد بررسي، نيازي ندارند. به همين علت، نتايج به دست آمده نيز از كليتي عام برخوردارند. با همه اينها، ترموديناميك كلاسيك نقصي جدي دارد. اين مبحث از فيزيك فقط زماني كاملا معتبر است كه در مورد سيستمهاي در حالت تعادل گرمايي به كار رود. به همين علت، هنگامي كه آثار تغييرات دما و فشار را بر سيستمي بررسي مي‌كنيم، بايد فرض كنيم كه اين تغييرات بي‌نهايت كند، صورت مي‌گيرند. فرض مي‌كنيم كه سيستم، تقريباً به نحوي نامحسوس، از يك حالت تعادل به حالت تعادل مجاوري مي‌رود و به همين ترتيب، سرانجام به حالت جديد مي رسد. در جهان واقعي، رويدادها با سرعتي متناهي، اغلب بسيار سريع رخ مي‌دهند و در طول چنين فرايندي نمي‌توان به حالت تعادل ايده‌آل رسيد. اگر به سيستمي گرما بدهيم، يا روي آن كار انجام دهيم، اين سيستم در مدتي كه به تعادل گرمايي نرسيده است، از حالتهاي گذراي پيچيده‌اي عبور مي‌كند و نمي‌توان به آن دمايي نسبت داد. مثلا، اگر پيستوني را به داخل استوانه‌اي پر از گاز برانيم، چگالي بخشي از گاز كه در مجاورت پيستون قرار دارد، اندكي بيش از چگالي قسمتهاي ديگر گاز است كه فاصله آنها از پيستون بيشتر است؛ و مدت زماني كوتاه اما متناهي، طول مي‌كشد تا دوباره به حالت چگالي يكنواخت برسيم. بررسي اين شرايط گذرا، و چگونگي رسيدن به تعادل گرمايي، از قلمرو ترموديناميك خارج است.

در ترموديناميك نه از روي اطلاعات مربوط به رفتار اجزاي مولكولي سيستم، بهره گرفته مي شود و نه در اين مورد مي‌توان از آن اطلاعاتي كسب كرد. اما چنان كه قبلا هم ديديم، در نهايت، پاسخ ديناميكي همين مولكولهاست كه به شكل تغييرات فشار يا دما آشكار مي‌شود.

انرژي، قابليت انجام كار مي‌باشد و به صورتهاي گوناگون يافت مي‌شود. انرژي ماهيچه‌اي، انرژي الكتريكي، انرژي مكانيكي، انرژي شيميايي، انرژي هسته‌اي، انرژي نوراني و… از صورت‌هاي مختلف آن مي‌باشند. اما هر كدام از اين صورت‌ها قابل تبديل به صورت ديگري از انرژي هستند. مثلا با سوختن چوب، انرژي شيميايي تبديل به انرژي نوراني و انرژي گرمايي مي‌شود.

انرژي با داشتن هر صورتي مي‌تواند پتانسيل يا جنبشي باشد. انرژي جنبشي، انرژي جسم در حال حركت و انرژي پتانسيل، انرژي ذخيره شده در جسم است.

يكي از اصول اساسي طبيعت اصل بقاي انرژي  است. اين اصل بيان مي‌دارد كه طي يك واكنش، انرژي مي‌تواند از حالتي به حالتي ديگر تغيير كند اما مقدار كل آن ثابت باقي مي‌ماند. به عبارت ديگر انرژي نمي‌تواند نابود و يا خلق شود. براي مثال سرعت يك تكه سنگ در حال سقوط به علت تبديل پيوسته انرژي جنبشي، افزايش مي‌يابد.

اصل بقاي انرژي، اساس رژيم غذايي را تشكيل مي‌دهد: شخصي كه انرژي وروديش (غذا) بيش از انرژي خروجيش باشد، چاق خواهد شد (ذخيره انرژي به صورت چاقي) و شخصي كه انرژي ورودي كمتري نسبت به انرژي خروجي دارد لاغر خواهد شد.

هر چند اصول ترموديناميك از ابتداي خلقت جهان وجود داشته‌اند، اما ترموديناميك تا حدود اوايل قرن هفدهم كه اولين كوششها براي ساختن يك موتور بخار در انگلستان به وسيله توماس سيوري (1697) و توماس نيوكامن  (1712) انجام گرفت، به عنوان يك علم، پديدار نشده بود. اين موتورها بسيار كند و غير اقتصادي كار مي‌كردند. اما باعث شدند تا راهي براي ايجاد  يك علم جديد بوجود آيد. 

اصطلاح ترموديناميك براي اولين بار در نوشته‌هاي لرد كلوين در 1849 مورد استفاده قرار گرفت. اولين كتاب درسي ترموديناميك توسط رانكين كه يكي از اساتيد دانشگاه گلاسكو بود، نوشته شد. بزرگترين پيشرفت در ترموديناميك در اوايل قرن هجدهم صورت گرفت و در اين هنگام تمام نظريات غلط كنار گذاشته شد و علم ترموديناميك همزمان در حوالي سالهاي 1850 از نتايج حاصل از كارهاي تحقيقاتي ويليام رانكين و رودولف كلازيوس و لرد كلوين (نام سابقش ويليام تامسون بوده است) پديدار شد. كلمه ترموديناميك ابتدا در مقالات لرد كلوين در سال 1849 به كار گرفته شد.

ويليام تامسن دانشمند بريتانيايي در سال 1848 ميلادي در يك خانواده ثروتمند به دنيا آمد در زمان حيات تامسن، دولت بريتانيا به او عنوان بارون كلوين داد. به همين علت اغلب او را لرد كلوين مي‌نامند. گاهي نويسندگان، حتي زماني كه درباره كارهايي كه وي پيش از دريافت اين عنوان انجام داده است گفتگو مي‌‌كنند، او را لرد كلوين مي‌نامند.

لرد كلوين استدلال كرد كه همه مواد از اتمهايي كوچك تشكيل شده‌اند كه معمولاً در گروههايي كوچك به نام مولكول با هم تركيب يافته‌اند. در گازها مولكولها آزادانه حركت مي‌كنند. در مايعات و جامدات در جاي خود مي‌مانند اما در همان جا به سرعت به جلو و عقب مي‌روند. او در سال 1877 در حالي كه 29 سال بيشتر نداشت به كشف بزرگي دست يافت. وي دريافت كه در دمايي بسيار پايين انرژي دروني موجود در مواد به پايين‌ترين حد خود خواهد رسيد.

كلوين اين دما را مبدأ اندازه‌گيريهاي خود به شمار آورد و تقسيم‌بنديهاي خود را بر حسب بازه‌هاي درجه سليسيوس انجام داد. به پاس خدمات اين دانشمند بزرگ اين تقسيم‌بندي به نام كلوين نام گرفت. در سال 1967 مقياس كلوين به نام مقياس استاندارد دماسنجي مورد تصويب دانشمندان قرار گرفت.