Термодинамика является важным разделом физики. Можно смело утверждать, что ее достижения обусловили появление технологической эры и определили во многом ход человеческой истории за последние 300 лет. В статье рассматриваются первый, второй и третий законы термодинамики и их применение на практике.
Что такое термодинамика?
Прежде чем приводить формулировки законов термодинамики, разберемся, чем занимается этот раздел физики.
Слово "термодинамика" имеет греческое происхождение и означает "движение благодаря теплу". То есть этот раздел физики занимается изучением любых процессов, в результате которых тепловая энергия преобразуется в механическое движение и наоборот.
Основные законы термодинамики были сформулированы в середине XIX века. Наука "о движении и тепле" рассматривает поведение всей системы в целом, изучая изменение ее макроскопических параметров - температуры, давления и объема, и не обращая внимание на ее микроскопическое строение. Причем первый из них играет принципиальную роль в формулировке законов термодинамики в физике. Любопытно отметить, что выведены они исключительно из экспериментальных наблюдений.
Понятие о термодинамической системе
Под ним подразумевают любую группу атомов, молекул или других элементов, которые рассматриваются как единое целое. Все три закона формулируются для так называемой термодинамической системы. Примерами являются: атмосфера Земли, любой живой организм, газовая смесь в двигателе внутреннего сгорания и др.
Все системы в термодинамике относятся к одному из трех типов:
- Открытые. В них существует обмен как теплом, так и веществом с окружающей средой. Например, если в котелке на открытом огне готовится пища, то это яркий пример открытой системы, поскольку котелок получает энергию от внешней среды (костра), при этом он сам излучает энергию в виде тепла, а также из него испаряется вода (обмен веществом).
- Закрытые. В таких системах не существует обмена веществом со средой, хотя обмен энергией происходит. Возвращаясь к предыдущему случаю: если накрыть крышкой котелок, то можно получить систему закрытого типа.
- Изолированные. Это вид термодинамических систем, которые ни веществом, ни энергией не обмениваются с окружающим их пространством. Примером может служить термос, в котором находится горячий чай.
Термодинамическая температура
Под этим понятием подразумевают кинетическую энергию частиц, образующих окружающие тела, которая отражает скорость хаотического перемещения частиц. Чем она больше, тем выше температура. Соответственно, уменьшая кинетическую энергию системы, мы ее охлаждаем.
Под этим понятием подразумевают кинетическую энергию частиц, образующих окружающие тела, которая отражает скорость хаотического перемещения частиц. Чем она больше, тем выше температура. Соответственно, уменьшая кинетическую энергию системы, мы ее охлаждаем.
Термодинамическая температура выражается в СИ (Интернациональная система единиц измерений) в кельвинах (в честь британского ученого Уильяма Кельвина, который предложил впервые эту шкалу). Понимание первого, второго и третьего законов термодинамики невозможно без определения температуры.
Деление в один градус по шкале Кельвина соответствует также одному градусу по Цельсию. Перевод между этими единицами осуществляется по формуле: TK = TC + 273,15, где TK и TC - температуры в кельвинах и градусах Цельсия соответственно.
Особенностью шкалы Кельвина является то, что она не имеет отрицательных значений. Ноль в ней (TC = -273,15 oC) соответствует состоянию, когда тепловое движение частиц системы полностью отсутствует, они оказываются как бы "замороженными".
Сохранение энергии и 1 закон термодинамики
В 1824 году Никола Леонар Сади Карно, французский инженер и физик, выдвинул смелое предположение, которое не только обусловило развитие физики, но и стало важнейшим шагом для совершенствования технологий. Его можно сформулировать следующим образом: "Энергия не может быть создана или разрушена, она может быть лишь переведена из одного состояния в другое".
По сути фраза Сади Карно постулирует закон сохранения энергии, который лег в основу 1 закона термодинамики: "Всякий раз, когда система получает энергию извне, она переводит ее в другие формы, основными из которых являются тепловая и механическая".
Математическая формула для 1-го закона записывается так:
Q = ΔU + A,
здесь Q - количество теплоты, переданное окружающей средой системе, ΔU - изменение внутренней энергии этой системы, A - совершенная механическая работа.
Адиабатические процессы
Наглядным примером их является движение воздушных масс вдоль горных склонов. Такие массы обладают огромными размерами (километры и более), а воздух является прекрасным теплоизолятором. Отмеченные свойства позволяют рассматривать любые процессы с воздушными массами, которые происходят в течение короткого времени, как адиабатические. Когда воздух поднимается по горному склону, то его давление падает, он расширяется, то есть выполняет механическую работу, и, как следствие, охлаждается. Наоборот, движение воздушной массы вниз сопровождается увеличением давления в ней, она сжимается и за счет этого сильно нагревается.
Применение закона термодинамики, который рассмотрен в предыдущем подзаголовке, проще всего продемонстрировать на примере адиабатического процесса.
Согласно определению, в результате него не происходит обмен энергией с окружающей средой, то есть в уравнении выше Q = 0. Это приводит к следующему выражению: ΔU = -A. Знак минус здесь означает, что система совершает механическую работу за счет уменьшения собственной внутренней энергии. Следует напомнить, что внутренняя энергия находится в прямой зависимости от температуры системы.
Направление протекания тепловых процессов
Этим вопросом занимается 2-й закон термодинамики. Наверняка каждый замечал, что если привести в контакт два предмета с разной температурой, то холодный всегда будет нагреваться, а горячий охлаждаться. Отметим, что обратный процесс может происходить в рамках первого закона термодинамики, однако он никогда не реализуется на практике.
Причиной необратимости указанного процесса (и всех известных процессов во Вселенной) является переход системы в более вероятное состояние. В рассмотренном примере с контактом двух тел разной температуры наиболее вероятным состоянием будет то, при котором все частицы системы будут иметь одинаковую кинетическую энергию.
Второй закон термодинамики может быть сформулирован так: "Тепло спонтанно никогда не может быть передано от холодного тела к горячему". Если ввести понятие энтропии как меры беспорядка, тогда его можно представить в таком виде: "Любой термодинамический процесс протекает с увеличением энтропии".
Тепловая машина
Под этим термином понимают систему, которая благодаря подводу к ней внешней энергии может совершать механическую работу. Первые тепловые машины являлись паровыми и были изобретены в конце XVII века.
Второй закон термодинамики играет определяющую роль в определении их эффективности. Еще Сади Карно установил, что максимальный КПД этого устройства равен: КПД = (T2 - T1)/T2, здесь T2 и T1 - температуры нагревателя и холодильника. Механическая работа может быть совершена только тогда, когда существует поток теплоты от горячего тела к холодному, причем этот поток невозможно на 100% переводить в полезную энергию.
Ниже приведен рисунок, где изображен принцип работы тепловой машины (Qabs - переданное тепло машине, Qced - тепловые потери, W - полезная работа, P и V - давление и объем газа в поршне).
Абсолютный ноль и постулат Нернста
Наконец, перейдем к рассмотрению третьего закона термодинамики. Он также называется постулатом Нернста (фамилия немецкого физика, который впервые его сформулировал в начале XX века). Закон гласит: "С помощью конечного числа процессов нельзя достигнуть абсолютного нуля". То есть невозможно никаким способом полностью "заморозить" молекулы и атомы вещества. Причиной этого является постоянной существующий теплообмен с окружающей средой.
Один из полезных выводов, сделанных из третьего закона термодинамики, заключается в уменьшении энтропии при движении к абсолютному нулю. Это означает, что система стремится организоваться. Этот факт можно использовать, например, для перевода парамагнетиков в ферромагнитное состояние при охлаждении.
Любопытно отметить, что наименьшей температуры, которой удалось достигнуть в настоящее время, является значение 5·10−10 K (2003 год, лаборатория Массачусетского Технологического Института, США).
