Что такое термодинамика: объясняем простыми словами
Тепло
Термодинамика связана с несколькими свойствами материи; главным из них является тепло. По данным Университета штата Джорджия, тепло — это энергия, передаваемая между веществами или системами из-за разницы температур между ними. Как форма энергии, тепло сохраняется — его нельзя создать или уничтожить. Однако его можно передать от одного тела к другому. Тепло также может быть преобразовано в другие формы энергии.
Температура
По данным Университета штата Джорджия, количество тепла, передаваемого веществом, зависит от скорости и количества атомов или молекул этого вещества в движении.
Чем быстрее движутся атомы или молекулы, тем выше температура, и чем больше атомов или молекул находится в движении, тем больше количество тепла они передают.
Температура — это мера средней кинетической энергии частиц в образце вещества, выраженная в единицах или градусах, обозначенных по стандартной шкале. Наиболее часто используемая температурная шкала — Цельсия, которая основана на температурах замерзания и кипения воды, присваивая соответствующие значения 0 С и 100 С. Шкала Фаренгейта также основана на точках замерзания и кипения воды, которым присвоены значения 32 градуса по Фаренгейту и 212 F соответственно.
Однако ученые во всем мире используют шкалу Кельвина, названную в честь Уильяма Томсона, потому что она основана на общей тепловой энергии, а не на точках замерзания и кипения воды. Эта шкала использует те же приращения, что и шкала Цельсия; например, изменение температуры на 1 С равно 1 К. Однако шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, температуры, при которой происходит полное отсутствие тепловой энергии, и все молекулярное движение прекращается. Температура 0 K равна минус 459,67 F или минус 273,15 C.
Теплопередача
Тепло может передаваться от одного тела к другому или между телом и окружающей средой различными способами: проводимостью, конвекцией.
Проводимость — это передача энергии через твердый материал. Проводимость между телами возникает, когда они находятся в прямом контакте, и молекулы передают свою энергию через интерфейс.
Конвекция — это передача тепла в жидкую среду или из нее. Молекулы в газе или жидкости, контактирующие с твердым телом, передают или поглощают тепло этому телу или от него, а затем удаляются, позволяя другим молекулам жидкости перемещаться на место и повторять процесс.
Энтропия
Все термодинамические системы генерируют отработанное тепло. Эти отходы приводят к увеличению энтропии, которая является мерой беспорядка системы. Поскольку работа происходит от упорядоченного молекулярного движения, энтропия является мерой энергии, которая недоступна для выполнения работы. Энтропия в любой замкнутой системе всегда увеличивается; она никогда не уменьшается. Кроме того, движущиеся части производят отработанное тепло из-за трения, и излучающее тепло неизбежно вытекает из системы.
Это делает так называемые вечные двигатели невозможными. Сиабал Митра, профессор физики в Университете штата Миссури, сказал: «Вы не можете построить двигатель, который будет эффективен на 100%, а это означает, что вы не сможете построить вечный двигатель. Тем не менее, есть много людей, которые все еще не верят в это, а также те, которые все еще пытаются построить вечные двигатели».
Энтропия также определяется как «мера беспорядка или случайности в замкнутой системе», которая также неумолимо возрастает. Вы можете смешивать горячую и холодную воду, но поскольку большая чашка теплой воды более неупорядочена, чем две маленькие чашки, содержащие горячую и холодную воду, вы никогда не сможете разделить ее обратно на горячую и холодную, не добавляя энергии в систему. Иными словами, вы не можете разобрать яйцо или удалить сливки из своего кофе.
Четыре закона термодинамики
Фундаментальные принципы термодинамики первоначально были выражены в трех законах. Позже ученые выяснили, что более фундаментальным законом пренебрегли, по-видимому, потому, что он казался настолько очевидным, что его не нужно было излагать явно. Чтобы сформировать полный набор правил, ученые решили, что этот самый фундаментальный закон необходимо включить. Проблема, однако, заключалась в том, что первые три закона уже были установлены и были хорошо известны по их присвоенным номерам. Столкнувшись с перспективой перенумеровать существующие законы, что вызвало бы значительную путаницу, или поместить выдающийся закон в конец списка, что не имело бы логического смысла, британский физик Ральф Х. Фаулер предложил альтернативу, которая решила дилемму: он назвал новый закон «Нулевым законом», согласно Колледжу Святого Ансельма. Ниже вкратце представлены все четыре закона:
-
Нулевой закон термодинамики гласит, что если два тела находятся в тепловом равновесии с некоторым третьим телом, то они также находятся в равновесии друг с другом. Это устанавливает температуру как фундаментальное и измеримое свойство материи.
-
Первый закон термодинамики гласит, что общее увеличение энергии системы равно увеличению тепловой энергии плюс работа, проделанная над системой. Это утверждает, что тепло является формой энергии и поэтому подчиняется принципу сохранения, то есть оно не может быть ни создано, ни уничтожено.
-
Второй закон термодинамики гласит, что тепловая энергия не может быть передана от тела при более низкой температуре к телу при более высокой температуре без добавления энергии. Вот почему запуск кондиционера стоит приличных денег.
-
Третий закон термодинамики утверждает, что энтропия идеального кристалла — то есть вещества, состоящего из атомов, расположенных в идеально упорядоченном, симметричном порядке — при абсолютном нуле равна нулю. Как объяснялось выше, энтропию иногда называют «отработанной энергией», или энергией, которая не способна выполнять работу; и поскольку при абсолютном нуле нет никакой тепловой энергии, не может быть никакой отработанной энергии. Энтропия также является мерой беспорядка в системе, и хотя идеальный кристалл по определению идеально упорядочен, любое положительное значение температуры означает, что внутри кристалла есть движение, которое вызывает беспорядок. По этим причинам не может быть физической системы с более низкой энтропией, поэтому энтропия всегда имеет положительное значение.
Наука о термодинамике развивалась веками и ее принципы применимы почти ко всем когда-либо изобретенным устройствам. Ее значение в современной технике трудно переоценить.