Первое и второе начало термодинамики

Видео: ПЕРВЫЙ И ВТОРОЙ ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

Прежде чем рассмотреть первое и второе начало термодинамики, необходимо определиться, что именно понимают под термином «термодинамика». В данном случае слово говорит само за себя: в нем нетрудно определить два других – «термо» и «динамика». При переводе с греческого получается «тепло, температура» и «сила, движение, изменение». Другими словами, термодинамика представляет собой один из разделов физики, изучающий особенности преобразования теплоты в другие формы энергии и наоборот. При этом тепловое движение объектов микромира (атомы, молекулы, частицы) не включено в упомянутый раздел и изучается в других областях науки. Термодинамика же имеет дело с целыми макросистемами, для которых характерен объем, давление и пр.

Видео: Лекция 1 Основные понятия термодинамики

Данная наука основывается на некоторых базовых особенностях (нулевое, первое, второе начало термодинамики), принятых за постулаты. Они были определены экспериментально и подтверждены теоретическими расчетами. Взаимосвязь между ними лишь косвенная, так как непосредственно вывод одного начала из другого выполнить невозможно.

Существует четыре начала – с нулевого по третье. Укажем смысл каждого из них. Нулевое начало термодинамики утверждает, что любая система стремится к термодинамическому равновесию, поэтому при исчезновении внешнего воздействия в конце концов возникает баланс. В нем изолированная система может находиться неограниченное время.

Одно из основных – это первое начало термодинамики. Впервые было сформулировано еще в 19 веке. Фактически представляет собой закон сохранения энергии применительно к происходящим в макросистемах термодинамическим процессам. Кстати, часто именно при помощи этого постулата отрицается возможность существования вечного двигателя, так как для совершения работы необходимо извне сообщать системе дополнительную энергию. Согласно ему, в замкнутой изолированной системе значение энергии всегда остается неизменным.

Второе начало термодинамики знакомо каждому с детства. Согласно ему, тепловая энергия может естественным образом передаваться только в одном направлении – от более нагретого тела к менее нагретому. К примеру, именно поэтому зимой на улице кажется холодно, так как температура окружающей среды ниже, чем у тела человека, что и вызывает теплоотдачу. Второе начало термодинамики является одним из самых известных. Одно из его следствий говорит о том, что вся внутренняя энергия системы не может быть полностью преобразована в полезную работу. Что интересно, второе начало термодинамики математически недоказуемо. Путем постановки множества опытов была выведена данная закономерность, впоследствии принятая за аксиому.

Видео: Больше, чем физика 14 Второе начало термодинамики

Что является одним из аспектов, характеризующих второе начало термодинамики? Энтропия! Данный термин в переводе с греческого означает «превращение». Энтропия характерная для любой термодинамической системы и является функцией состояния. В общем можно считать, что энтропия указывает на стремление любой системы к неупорядоченности. Р.Клаузиус, предложивший данный термин для термодинамических процессов, в качестве объяснения привел пример с замерзающей водой: представим воду, находящуюся в жидком состоянии на границе нуля градусов по Цельсию. Стоит ей сообщить порцию внешней энергии, достаточную для нарушения равновесия, как жидкость переходит в твердое состояние (лед). При этом благодаря внутреннему изменению структуры выделяется часть энергии. В данном случае речь идет об обратимом процессе. Соответственно, изменение энтропии является отношением общего количества тепловой энергии к абсолютному значению температуры. Одно из следствий указывает, что в замкнутых системах без внешнего воздействия значение энтропии возрастает.