Основы термодинамики. Закон сохранения энергии называют еще первым началом термодинамики

Закон сохранения энергии называют еще первым началом термодинамики. Это фундаментальный закон, согласно которому важнейшая физическая величина - энергия - сохраняется неизменной в изолированной системе. Науке сегодня не известна ни одна причина, которая могла бы привести к нарушению этого закона. Иначе можно было бы создать вечный двигатель - давнюю мечту человечества, двигатель, создающий энергию из ничего. В изолированной системе, согласно этому закону, энергия может только превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным. Если система не изолирована, энергия может изменяться за счет обмена между частями системы или разными системами. Например, ежедневно мы сталкиваемся с тем, что чайник, охлаждаясь, нагревает воздух.

Когда мы говорим о сохранении энергии, мы имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергии, то есть энергию, зависящую лишь от термодинамического состояния. Она складывается из движения атомов, энергии химических связей и других типов энергий, связанных с состоянием электронов в молекулах.

Следует отметить, что для макроскопических систем энергия не является непосредственно измеряемой величиной, хотя современная физика дает довольно подробную картину молекулярного строения макроскопического объекта, а теоретическая и экспериментальная физика позволяет различными методами определить уровни энергии или их разности для частиц в системе. Однако до настоящего времени отсутствуют способы непосредственного измерения самой энергии системы в целом. Термодинамика позволяет с точностью до некоторой неопределенной постоянной вычислить эту величину из опытных данных. Для этого следует учесть теплообмен системы с окружающей средой и измерить работу, совершаемую системой.

Первый закон термодинамики гласит: тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил. Например, если вы поместите градусник, используемый для измерения температуры тела, в стакан с водой с температурой 50° С, то через несколько минут вы услышите характерный звон разбитого стекла: это ртуть, расширившись (а расширение связано с увеличением межатомных расстояний, то есть с увеличением внутренней энергии ртути), и не имея выхода, надавила на стекло резервуара и совершила работу, разрушив его.

Первый закон термодинамики более известен в другой редакции, абсолютно эквивалентной первой: нельзя построить периодически действующую машину, которая бы совершала работу, больше подводимой к ней извне энергии (или - вечный двигатель первого рода невозможен).

Существование вечного двигателя второго рода запрещает второе начало термодинамики. Вечный двигатель второго рода - это циклически действующая машина, способная совершать работу за счет переноса тепла от холодного тела к горячему. Это не запрещено первым началом термодинамики, но практически невозможно.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии - теплоты (связанной с неупорядоченным, хаотическим движением) и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло - вспомните, как наши предки добывали огонь. В то же время тепло в эквивалентную ему работу полностью превратить нельзя. Другими словами, неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности, или мерой хаоса, в термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положительна, за исключением случая, когда идеальный кристалл находится при абсолютном нуле (но на этот счет есть третье начало термодинамики, говорящее о недостижимости абсолютного нуля, равного -273° С), что невозможно. Иногда используется отрицательная величина энтропии - н егэнтропш, которая является мерилом упорядоченности системы. Эта величина может быть только отрицательным числом. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, энтропии - росту хаоса.

Таким образом, в соответствии со вторым началом термодинамики, в случае изолированной системы (то есть системы, не обменивающейся энергией с окружающей средой) неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. При нагревании тела энтропия увеличивается, растет степень неупорядоченности. В изолированной системе энтропия может только расти.

Так мы сталкиваемся с принципом возрастания энтропии -важнейшим принципом термодинамики. Он соответствует стремлению любой системы к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.

Из этого принципа следует идея тепловой смерти Вселенной. Раз все виды энергии деградируют, превращаясь в тепло, то когда-нибудь закончат свое существование звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и вся Вселенная придет в самое простое состояние хаоса - термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие шары планет и звезд. Не будет источников энергии - не будет жизни, не будет ничего.

План семинарского занятия (2 часа)

1. Симметрия. Виды симметрии в физике.

2. Принципы симметрии и законы сохранения физических величин.

3. Принцип соответствия.

4. Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей.

5. Принцип суперпозиции.

6. Три начала термодинамики.