Четыре начала термодинамики

Термодинамика (буквально «движение тепла») исследует способ передачи тепловой энергии от одной области к другой и превращение тепла в другие формы энергии. В процессе тепловых превращений температура, давление и объем-все вместе или по отдельности-могут различным образом изменяться. Термодинамика в основном занимается математическим описанием этих и других параметров, предсказывая направления их изменений.

Если смотреть исторически, то сначала были открыты три закона, получившие названия первого, второго и третьего начал термодинамики. Затем был установлен еще более фундаментальный закон. Его назвали «нулевым» началом термодинамики.

Если два тела-горячее и холодное — привести в контакт, то в конце концов они приобретут одинаковую температуру (1). Горячее тело теряет больше тепловой энергии, чем получает, а холодное тело поглощает тепло. Оба тела поглощают и испускают энергию непрерывно, хотя и в неравных количествах, и процесс обмена продолжается до тех пор, пока их температуры не сравняются. Однако и после этого каждое тело будет продолжать испускать и поглощать равные количества тепла — говорят, что тела находятся в тепловом равновесии. Нулевое начало утверждает, что если каждое из двух тел находится в тепловом равновесии с неким третьим телом, то между ними также существует тепловое равновесие.

В пламени горелки создается очень высокая температура. Если пламя направить на какой-то материал, то он быстро расплавится в месте действия горелки. Таким образом, перемещая горелку, материал можно разрезать. В данном случае горелка используется для разрезания огромного бетонного блока.

Первое начало в действительности состоит из двух частей: первая-закон сохранения энергии, вторая-определение «тепловой энергии» и способов превращения разных видов энергии друг в друга (2). Если системе сообщить некую тепловую энергию, то, согласно первому началу, это эквивалентно изменению внутренней энергии системы и механической энергии, благодаря которой система может совершать работу против внешних сил.

Так, в бензиновом двигателе смесь воздуха и бензина воспламеняется после сжатия. При горении смеси в ходе химической реакции высвобождается тепловая энергия. Вследствие этого газы расширяются и совершают работу, двигая поршень. Поскольку температура сгоревших газов выше, чем у исходной смеси перед возгоранием, происходит изменение внутренней энергии бензина в автомобильном двигателе. В сумме это изменение энергии плюс совершенная работа равны высвобожденной тепловой энергии.

При соприкосновении двух поверхностей возникает трение, при этом также выделяется тепло. Резкий рывок автомобиля в начале автомобильной гонки заставляет сильно вращаться его задние колеса, и выделяющееся тепло «сжигает» резину шин. Аналогичное явление наблюдается и при резком торможении.

Вслед за нулевым началом, которое определяет температуру тела, и первым началом, описывающим превращения энергии, идет второе начало термодинамики, которое указывает направление потока тепловой энергии между телами с различными температурами. Само по себе тепло может переходить только от горячего тела к холодному. Передача тепла ускоряет движение молекул в более холодном теле, увеличивая внутренний «беспорядок» в нем.

Твердая углекислота. выбрасываемая из огнетушителя, на воздухе превращается в газ и препятствует доступу кислорода к огню.

Охлаждение веществ. Третье начало термодинамики утверждает, что вещество невозможно охладить до абсолютного нуля. Такая температура могла бы быть, например, у газа с нулевым давлением. В этом случае все молекулы газа прекратили бы свое движение и их энергия стала бы равной нулю, поэтому дальнейшее изъятие энергии и связанное с ним охлаждение оказалось бы невозможным. По мере приближения к абсолютному нулю (— 273,15°С) охлаждение вещества становится все более затруднительным.

Согласно второму началу термодинамики, процесс передачи тепла в действительности происходит направленно-от горячего тела к холодному. Следовательно, должен существовать какой-то параметр системы, который характеризовал бы ее внутреннее состояние (порядок или беспорядок) и принимал бы разные значения в начале и конце процесса (дозволенного первым началом). Этот параметр называется энтропией. Второе начало термодинамики утверждает, что энтропия изолированной системы может только возрастать или оставаться постоянной.

«Вечные двигатели» можно классифицировать в соответствии с теми законами термодинамики, которые их изобретатели пытались обойти. Машину непрерывного действия, которая сама по себе вырабатывает энергию и тем самым нарушает первое начало термодинамики, можно назвать вечным двигателем первого рода. Первое начало не запрещает полностью превратить тепло океана в работу и за счет этого двигать корабль. Второе начало утверждает, что затраченное тепло частично переходит к резервуару, имеющему меньшую температуру. Таким образом, разность температур поверхности и дна океана может быть использована для совершения работы, но при этом некоторое количество тепла будет передаваться более холодной морской воде. Если этого не происходит, то здесь нарушается второе начало термодинамики; такая машина служит примером вечного двигателя второго рода. Казалось бы, некоторые из изображенных здесь машин могли бы работать вопреки законам термодинамики, но при ближайшем рассмотрении обнаруживается, что во всех случаях не учитывается некий источник энергии.

В устройстве А для преодоления силы тяжести используют капиллярный эффект, однако в процессе его действия происходит обмен теплом с атмосферой. Правильность законов термодинамики была . подтверждена многочисленными косвенными научными экспериментами, так что невозможно представить ни одного «вечного двигателя», в котором бы они не нарушались. Если и можно было бы вообразить устройство, действующее без нарушения этих двух законов, то диссипативные силы, подобные трению, остановят его. Если бы можно было создать непрерывно действующее устройство без трения, то его можно было бы назвать вечным двигателем третьего рода. Во всех машинах от Б до 3 предпринимались попытки получить «что-то» из «ничего», прикладывая с одной стороны устройства большее усилие, чем с другой, и тем самым стремясь добиться вращения. Однако попытки создателей этих машин опровергнуть первое начало термодинамики были обречены на неудачу; они не могут сдвинуться даже в отсутствие трения. В машинах В-Е необходимо, кроме того, преодолеть диссипативные силы, связанные с вязкостью воды или вихревыми токами. Термодинамика как наука была создана для «макромашин», состоящих из миллионов молекул. Однако даже простейшая «машина» - молекула белка - подчиняется тем же законам.

Установлено, что все тепловые машины, способные совершать работу, потребляют больше энергии, чем превращают в полезную работу. Даже если энергия не теряется за счет трения или не излучается, как в радиаторе отопления, полезная механическая энергия всегда оказывается меньше энергии, полученной от источника тепла. Энтропия системы отражает существование этой «недоступной» энергии, а второе начало показывает, что энтропия не может уменьшаться. Увеличение «недоступной» энергии означает переход атомов в более неупорядоченное состояние, и мерой беспорядка служит энтропия.

С учетом ограничений, определяемых законами термодинамики, система может претерпевать ту или иную последовательность изменений состояния (характеризуемого давлением, температурой и объемом). В тех случаях, когда эта последовательность изменений замыкается и система возвращается к исходному состоянию, она может совершить полезную работу.

Тепловые циклы и коэффициент полезного действия. Последовательность изменений системы, возвращающейся в исходное состояние, называется тепловым циклом. Теоретически максимальное значение к.п.д. такой «тепловой машины» достигается в цикле Карно (4), названном так в честь открывшего его французского инженера Сади Карно (1796-1832). Если бы удалось сконструировать машину, работающую циклически, в которой в каждом цикле производилось бы больше энергии в виде работы, чем потреблялось бы в виде тепла, то оказалось бы возможным реализовать идею вечного двигателя (5). Первое начало термодинамики утверждает, что это невозможно, а второе начало отрицает даже возможность превращения тепла в точно эквивалентное ему количество механической работы.