Что изучает термодинамика
Термодинамика — раздел физики, изучающий тепловые явления: превращения тепловой энергии в другие виды энергии и обратно, теплообмен между телами, зависимость свойств вещества от температуры и давления. Это наука о том, почему тепло всегда течёт от горячего к холодному, а не наоборот, и почему нельзя построить вечный двигатель.
Термодинамика возникла в XIX веке из практической задачи: как повысить эффективность паровых машин? Сади Карно в 1824 году рассчитал максимально возможный КПД тепловой машины — не зная ничего об атомах. Это один из первых примеров «инженерной науки», повлиявшей на фундаментальную физику. Промышленная революция буквально изменила мир, а термодинамика стала её теоретическим основанием.
Нулевое и первое начала термодинамики
Нулевое начало: если два тела находятся в тепловом равновесии с третьим, они находятся в равновесии друг с другом. Это логическое основание самого понятия «температура» и работы термометра — если подождать, пока термометр уравновесится с объектом, его показание будет температурой объекта.
Первое начало — закон сохранения энергии в тепловых процессах: изменение внутренней энергии системы равно теплу, переданному системе, минус работа, совершённая системой: ΔU = Q − W. Из него немедленно следует: вечный двигатель первого рода (производит работу без потребления энергии) невозможен.
Внутренняя энергия — сумма кинетической энергии всех молекул (тепловое движение) и потенциальной (взаимодействие между молекулами). При нагревании газа молекулы движутся быстрее; при сжатии — уменьшается расстояние, меняется потенциальная часть.
Второе начало: энтропия и стрела времени
Второе начало термодинамики — одно из фундаментальнейших утверждений науки: в природе есть направление времени. Тепло самопроизвольно течёт только от горячего к холодному. Энтропия (мера «беспорядка» системы, числа доступных микросостояний) в изолированной системе никогда не убывает. Это «стрела времени»: яйцо не собирается обратно из яичницы, разбитая чашка не склеивается сама.
КПД идеальной тепловой машины Карно: η = 1 − T_cold/T_hot (температуры в Кельвинах). Паровая турбина с горячим источником 600°C (873 K) и холодным 30°C (303 K): максимальный КПД = 1 − 303/873 ≈ 65%. Реальные паровые турбины достигают 45–50%. Именно поэтому атомные электростанции стараются поднять температуру пара как можно выше.
Вечный двигатель второго рода — машина, которая, не имея разницы температур, переводит тепло в работу — невозможен: нарушал бы второе начало. Больцман в 1877 году дал статистическое определение энтропии: S = k · ln(W), где W — число микросостояний. Каждое последующее состояние системы «вероятнее» предыдущего — вот физический смысл роста энтропии.
Третье начало и абсолютный нуль
Третье начало (теорема Нернста, 1906): при приближении к абсолютному нулю (0 K = −273,15°C) энтропия кристаллической системы стремится к нулю. Из этого следует: достичь абсолютного нуля невозможно за конечное число шагов — это не техническое ограничение, а фундаментальный закон.
Самая холодная температура, достигнутая в лаборатории (конденсаты Бозе-Эйнштейна, ультрахолодные атомы): около 38 пикокельвин (3,8 × 10⁻¹¹ K) — в эксперименте в Институте Вейцмана (Израиль). В таком состоянии атомы практически не движутся, квантовые эффекты проявляются на макроскопическом уровне.
Термодинамика в технике и природе
Двигатель внутреннего сгорания работает по циклу Отто: впрыск горючей смеси → сжатие → воспламенение (взрыв) → расширение (рабочий ход) → выхлоп. КПД лучших бензиновых двигателей — около 38–42%, дизельных — 45–50%. Электромоторы принципиально эффективнее: 90–97%, потому что не ограничены формулой Карно (это не тепловые машины).
Холодильник — тепловая машина, работающая «в обратную сторону»: электрическая работа переносит тепло от холодного объекта (внутри) к горячему (радиатор). Коэффициент производительности хорошего бытового холодильника: 3–5 (переносит 3–5 Дж тепла за каждый 1 Дж электроэнергии).
Живые организмы — термодинамические машины. Клетки «сжигают» глюкозу (или другое топливо) и используют энергию для синтеза АТФ. КПД биохимического «двигателя» мышц — около 25%. Мозг потребляет 20% всей энергии тела при массе 2%.