Законы термодинамики

Термодинамика – раздел физики, в рамках которого изучается взаимное превращение теплоты в движение и наоборот. Являясь достаточно обширным разделом, данная часть прикладной физики делится на несколько различных подразделов, к которым относятся:

1. Основные законы термодинамики.
2. Фазовые переходы и термодинамические процессы.
3. Термодинамические циклы и др.

Фактически законы термодинамики – не только ее подраздел, но также и постулаты, базис, лежащий в основе изучаемого раздела физики. Всего выделяют три термодинамических начала.

Видео: 8.10-1 Количество теплоты. Первый закон термодинамики

Рассмотрим их подробнее.

1. Первый закон или начало термодинамики. Сперва вспомним о том, что энергия постоянно переходит из одного вида в другой. Преобразуясь, в зависимости от условий, из кинетической в потенциальную и обратно, энергия из системы не уходит. Однако несложный пример с маятником, которому придали ускорение, ставит под сомнение эту теорию. Находясь в движении, маятник имеет кинетическую энергию, в крайних точках амплитуды – потенциальную. Теоретически такое движение не должно иметь конца и края, то есть быть бесконечным. На практике же мы видим, что движения постепенно угасают, маятник останавливает свой ход. Происходит это за счет сопротивления воздуха, которое обусловливает силу трения при движении. В результате та энергия, что должна была придавать маятнику ускорение, расходуется на преодоление воздушного препятствия. Как следствие, образуется теплота. Согласно опытам ученых, температура подвеса и окружающей среды повышается за счет хаотичного движения молекул вещества маятника и воздуха.

Собственно, первый закон термодинамики более известен как Закон сохранения энергии. Его суть в том, что энергия в системе не исчезает, а лишь преобразуется из одного вида в другой и переходит из одной формы в другую.

Впервые подобное наблюдение было описано в середине ХІХ в. К. Мором. Он отметил, что энергия может переходить в другие состояния: теплота, электричество, движение, магнетизм и т. д. Однако сформулирован Закон был только в 1847 Г. Гельмгольцем, а в ХХ в. ему была присвоена небезызвестная формула E=mc2, которая также включала в себя выводы А. Эйнштейна.

2. Второй закон или начало термодинамики. Сформированный в 1850 г. ученым Р. Клаузиусом, он заключается в следующем наблюдении: внутреннее распределение энергии в закрытой системе изменяется хаотично таким образом, что полезная энергия уменьшается, вследствие чего увеличивается энтропия.

3. Третий закон или начало термодинамики. Имея в виду представление о том, что теплота есть беспорядочное и хаотичное движение молекул, можно сделать вывод, что охлаждение системы влечет за собой снижение их двигательной активности. Энтропия равна нулю в том случае, когда всякое хаотичное движение молекул полностью остановлено.

Видео: Объясняет профессор Дейв. "Законы термодинамики, энтропия и Гиббс свободной энергии"

Абсолютное значение энтропии вещества можно вычислить, зная его теплоемкость при абсолютном нуле. В. Нернстом путем долгих и многочисленных исследований было обнаружено, что все кристаллические вещества обладают одинаковой теплоемкостью: при абсолютном нуле и она равна нулю. Этот вывод представляет собой третий закон термодинамики. Зная этот факт, можно сравнивать энтропию различных материалов при изменениях температуры.

Существует также так называемый нулевой закон термодинамики, заключается он в следующем: теплота от нагретой части изолированной системы распространяется на все ее элементы. Таким образом, со временем температура в рамках одной системы выравнивается.

Законы термодинамики – это базовые составляющие науки о механике. Благодаря выводам, совершенным в разное время, современная наука и общество обогатились за счет изобретения большинства машин.

Законы термодинамики универсальны для всех разделов механики.