Законы термодинамики

Термодинамика — один из разделов физики, который изучает способы сохранения и передачи энергии, в первую очередь тепла, в физических системах. В законах термодинамики сформулированы основные свойства мироздания.

Энергичные люди и предметы

Джеймс Прескотт Джоуль
Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) — английский физик, один из основоположников термодинамики

Первый закон термодинамики называют еще законом сохранения энергии. Прежде чем изучить его более подробно, попробуем ответить на вопрос: что же такое энергия? Мы называем энергичным человека, решительного и настойчивого в своих действиях. Почти такое же определение энергии можно применить и к неодушевленным объектам. В физике энергией называют свойство материи, которое заключается в ее способности производить работу, движение и взаимодействие.

Энергию можно обнаружить везде: в природе и в человеке, в растениях и животных. При правильном использовании энергия позволяет двигать автомобили, корабли и даже поднимать в космос ракеты. Именно благодаря энергии у нас есть электричество, связь и их «симбиоз» — Интернет, без которого невозможно представить современную жизнь.

Энергия многогранна и многообразна. При движении какого-либо предмета возникает энергия, которую называют кинетической. При нагревании появляется тепловая энергия. Химическая энергия появляется в результате реакций между веществами, ядерная — высвобождается при распаде атомов.

Одно из важнейших свойств энергии: она не исчезает и не появляется, а просто переходит из одного состояния в другое. Это и есть первый закон термодинамики. Например, если поднять с земли камень и изо всех сил бросить его в металлический забор, то при этом будут наблюдаться следующие превращения энергии: при движении камень приобретет кинетическую энергию, которая при ударе превратится в тепловую. Если удар будет достаточно сильным, вы сможете почувствовать, что камень немного нагрелся.

Иллюстрация первого закона термодинамики
Иллюстрация первого закона термодинамики: при выстреле из лука энергия натяжения переходит в кинетическую энергию (пока стрела летит), а потом — в тепловую (когда стрела попадает в мишень)
«Энергия» в переводе с греческого означает «действие»

Холод как средство от энтропии

Из опыта мы знаем, что природным процессам свойственна необратимость. Если вы разбили яйцо и приготовили из него яичницу, то при всем желании не сможете вернуть все обратно, то есть сделать из яичницы сырое яйцо. Если оставить автомобиль на улице, то через какое-то время он начнет ржаветь, а за пару лет превратится в груду металлолома. Обратный процесс невозможен, как бы нам этого ни хотелось. Причина этой невозможности кроется во втором законе термодинамики.

У этого закона есть несколько формулировок. «В изолированной системе энтропия не уменьшается» — одна из них. То есть, например, в автомобиле, оставленном без присмотра, состояние хаоса будет постоянно нарастать. Чтобы этого не случилось, потребуется внешнее вмешательство, например бережный уход.

Третий закон термодинамики имеет дело с таким понятием, как абсолютный нуль температур. Точное значение этой величины, установленное физиками, –273,15 °C. Чем же интересна эта странная отметка на термометре? Дело в том, что чем ниже температура, тем медленнее движутся частицы (молекулы, атомы), из которых состоит вся материя. А если температура достигает этого предела, то движение прекращается вовсе. Вместе с движением прекращается и энтропия.

Но это всё в теории, потому что на практике ни одна система не может достигнуть состояния абсолютного нуля. Чем ближе она подходит к температуре –273,15 °C, тем больше энергии нужно затратить на дальнейшее охлаждение. Ученым в лабораторных условиях удается подойти к абсолютному нулю температур очень близко, но все же достичь его, как и состояния полного отсутствия энтропии, или абсолютного порядка, они не могут.

«В любой изолированной системе запас энергии остается постоянным.» Дж. П. Джоуль

Поделиться ссылкой