Термодинаміка

Кристалічне тверде тіло володіє порядком як трансляції, так і орієнтаційної. В результаті навіть виникає велике число можливих варіантів орієнтації сусідніх молекул один щодо одного, які можуть виявитися енергетично вигідними при тих або інших тиску і температурі. В результаті тверді тіла володіють, як правило, достатньо складною фазовою діаграмою. Наприклад, фазова діаграма такої, здавалося б, простої речовини, як лід, налічує принаймні 12 термодинамічних фаз, що реалізовуються при різних температурах і тиску.

10. Перший закон термодинаміки

Перший початок термодинаміки (закон збереження енергії в застосуванні до термодинамічних процесів) говорить про те, що надання термодинамічній системі (наприклад, пари в тепловій машині) визначеної кількості теплоти в загальному випадку відбувається під час збільшенні внутрішньої енергії системи і вона здійснює роботу проти зовнішніх сил. Вище відзначалося, що першим, хто поставив теплоту у зв'язок із роботою, був Карно, але його робота в силу спізнілої публікації не зробила вирішального впливу на формування першого початку термодинаміки. Ідея про те, що теплота - не субстанція, а сила (енергія), однієї з форм якої і є теплота, причому ця сила, у залежності від умов, виступає у виді руху, електрики, світла, магнетизму, теплота, що можуть перетворюватися один в одного, існувала в розумах дослідників. Для перетворення цієї ідеї в ясне і точне поняття, необхідно було визначити загальну міру цієї сили. це зробили, незалежно один від одного, Р.Майер, Д.Джоуль і Г.Гельмгольц.

Р.Майер першим сформулював закон еквівалентності механічної роботи і теплоти і розрахував механічний еквівалент теплоти (1842 р.). Д.Джоуль експериментально підтвердив припущення про те, що теплота є формою енергії і визначив міру перетворення механічної роботи в теплоту. М.Гельмгольц у 1847 р. математично обгрунтував закон збереження енергії, показавши його загальний характер. Підхід усіх трьох авторів закону збереження енергії був різноманітним. Майер відштовхувався більше від загальних положень, пов'язаних з аналогією між "живою силою" (енергією), що одержували тіла при своєму падінні відповідно до закону всесвітнього тяжіння, і теплотою, що віддавали стиснуті гази.

Джоуль взяв за основу експерименти по виявленню можливості використання електричного двигуна як практичного джерела енергії (ця обставина і змушувала його задуматися над питанням про кількісну еквівалентність роботи і теплоти).М.Гельмгольц прийшов до відкриття закону збереження енергії, намагаючись застосувати концепцію руху тіл Ньютона , що знаходяться під впливом взаємного тяжіння. Його висновок про те, що сума сили і напруги (тобто кінетичної і потенціальної енергії) залишається постійною, є формулюванням закону збереження енергії в його найбільш загальній формі. Цей закон - велике відкриття XIX сторіччя. Механічна робота, електрика і теплота - різноманітні форми енергії. Д.Бернал так охарактеризував його значення: "Він об'єднав багато наук і знаходився у винятковій гармонії з тенденціями часу. Енергія стала універсальною валютою фізики - так би мовити, золотим стандартом змін, що відбувалися у Всесвіті. Те, що було встановлено, являло собою твердий валютний курс для обміну між валютами різноманітних видів енергії: між калоріями теплоти кілограм-метрами роботи і кіловат-годинами електрики. Вся людська діяльність у цілому - промисловість, транспорт, освітлення і, у кінцевому рахунку, харчування і саме життя - розглядалося з погляду залежності від цього одного загального терміну - енергія"

11. Другий закон термодинаміки

Відповідно до першого початку термодинаміки, енергія зберігається. Ми можемо уявити собі багато процесів, у яких енергія зберігається, але в природі такі процеси не спостерігаються. Наприклад, коли гаряче тіло приводиться в контакт із холодним, теплота завжди переходить від гарячого тіла до холодного, а не навпаки. Якби теплота все-таки переходила від холодного тіла до гарячого, то енергія й у цьому випадку зберігалася б, але такий процес у дійсності не має місця. Як другий приклад розглянемо, що відбувається після кидання каменю, що падає на поверхню Землі. В міру падіння каменя його початкова потенціальна енергія переходить у кінетичну. Коли ж камінь стикається з Землею, його кінетична енергія перетворюється у внутрішню енергію каменя і землі (це означає, що молекули цих тіл починають рухатися швидше, а їхня температура повільно збільшиться). Однак чи приходилося вам коли-небудь, спостерігати зворотне явище, у процесі якого спочиваючий на поверхні Землі камінь раптом злетів у повітря завдяки тому, що теплова енергія його (і навколишніх) молекул перетворилося в кінетичну енергію руху каменю як цілого? У цьому процесі енергія зберігалася б, однак у дійсності такого ніколи не відбувається.

Існує багато прикладів і інших процесів, що можуть відбуватися в природі, тоді як зворотні їм ніколи не відбуваються. Наведемо ще два приклади такого роду. Якщо ви насипаєте в кухоль сіль, а потім покриєте його шаром перцю і струснете кухоль, то, напевно, одержите добре перемішану суміш. Однак скільки б ви не трясли кухоль ще, дуже малоймовірно, щоб ця суміш знову розділилася на два шари - окремо сіль і перець. Кавова чашка чи склянка розіб'ються, якщо вони упадуть на підлогу, однак зворотнього процесу не спостерігається.