Розділ «3.3 Закон збереження енергії в макроскопічних процесах»

3.3.1 Робота в механіці, закон збереження та перетворення енергії в механіці

3.3.2 Перший закон термодинаміки

Великий інтерес становить проблема: а який вигляд має вираження закону збереження енергії для систем, в яких істотну роль відіграють теплові процеси. Для вивчення таких процесів існує термодинамічний метод, який не враховує внутрішню будову речовин тіл (систем), що вивчаються, і характер руху окремих частинок. Термодинамічний метод базується тільки на вивченні різних перетворень енергії, що відбуваються в системі. Умови цих перетворень і співвідношення між різними видами енергії дозволяють вивчати фізичні властивості досліджуваних систем у найрізноманітніших процесах, у яких ці системи беруть участь. Розділ фізики, у якому фізичні властивості систем вивчаються за допомогою термодинамічного методу, називається термодинамікою.

Термодинаміка вивчає макроскопічні процеси в тілах, тобто такі явища, які пов'язані з колосальною кількістю атомів і молекул, що містяться в тілах.

Термодинаміка, або загальна теорія теплоти, є аксіоматичною наукою. Вона не вводить ніяких спеціальних гіпотез і конкретних уявлень про будову речовини й фізичну природу теплоти. її висновки ґрунтуються на загальних принципах або началах, що є узагальненням дослідних фактів. Вона розглядає теплоту як вид якогось внутрішнього руху, але не намагається конкретизувати, що це за рух.

Термодинаміка є однією з найважливіших частин фізики. її висновки достовірні настільки, наскільки достовірні аксіоми, на яких вона побудована. Ці висновки використовуються у всіх розділах макроскопічної фізики: гідродинаміці, теорії пружності, аеродинаміці, ученні про електричні й магнітні явища, оптиці й т.д.

Термодинаміка виникла в першій половині XIX століття як теоретична основа теплотехніки, що почала розвиватися в той час. її первісним завданням було вивчення закономірностей перетворення теплоти в механічну роботу в теплових двигунах і дослідження умов, за яких таке перетворення є найбільш оптимальним. Саме таку мету поставив перед собою французький інженер і фізик Саді Карно (1796-1832) у творі "Про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу" (1824 p.), де вперше було закладено основи термодинаміки, хоч і збереглися старі помилкові погляди на теплоту як на якусь невагому речовину — теплород, який не можна ні створити, ні знищити. Пізніше термодинаміка вийшла далеко за межі зазначеної технічної задачі. Центр ваги перемістився на вивчення фізичних питань. Основний зміст сучасної фізичної термодинаміки — вивчення закономірностей теплової форми руху матерії і пов'язаних з нею фізичних явищ. Додатки до теплових двигунів, холодильних установок та інших питань теплотехніки виділилися в самостійний розділ, який називається технічною термодинамікою.

Теплова форма руху матерії — це хаотичний рух атомів і молекул у макроскопічних тілах. її специфічність пов'язана з колосальною кількістю атомів і молекул у всякому макроскопічному тілі. Так, в одному кубічному метрі повітря за нормальних умов міститься близько 2,7 • 1025 молекул.

У процесі теплового руху молекули зіштовхуються між собою і зі стінками посудини, в яку вміщено систему. Зіткнення супроводжуються різкими змінами модуля й напрямку швидкостей молекул. У результаті в системі виникає цілком безладний рух, в якому з однаковою імовірністю можна виявити всі напрямки швидкостей молекул, а самі швидкості змінюються в широких межах від дуже малих до дуже великих значень.

Середня швидкість теплового руху газових молекул дуже велика. Для молекул повітря вона становить при кімнатній температурі майже 500 м/с і з підвищенням температури зростає. Зіткнення між молекулами газу відбуваються надзвичайно часто. Наприклад, молекула повітря за нормальної щільності встигає в середньому пройти всього близько 10~4 мм від одного зіткнення до наступного. Знаючи середню швидкість молекули, неважко підрахувати, що при нормальній температурі й щільності молекула повітря за одну секунду зазнає до 5 тисяч зіткнень, причому число зіткнень зростає зі збільшенням температури й щільності газу. Крім поступального руху, відбувається безладне обертання молекул, а також внутрішні коливання атомів, з яких вони складаються. Усе це створює картину надзвичайно хаотичного стану, в якому знаходиться сукупність величезної кількості молекул газів, а також рідких і твердих тіл. Така природа теплоти з погляду молекулярно-кінетичної теорії будови речовини.

Для того, щоб охарактеризувати різний ступінь нагрітості тіл, у термодинаміку вводиться поняття температури.

Уявлення про температуру, як і уявлення про силу, увійшло в науку за посередництвом нашого чуттєвого сприйняття. Наші відчуття дозволяють розрізняти якісні градації нагрітості: теплий, холодний, гарячий й ін. Однак кількісна міра ступеня нагрітості, придатна для науки, не може бути встановлена за допомогою чуттєвого сприйняття. Відчуття суб'єктивні. Залежно від стану руки те саме тіло на дотик може здаватися або теплим, або холодним. Зануримо, наприклад, одну руку в гарячу, а іншу в холодну воду й потримаємо їх там протягом деякого часу. Потім обидві руки опустимо у воду з кімнатною температурою. Тоді перша рука відчує холод, а друга тепло.

Кількісне визначення температури й побудова точної температурної шкали повинні базуватися на об'єктивних фізичних явищах і фактах, вільних від суб'єктивізму чуттєвого сприйняття. Трактувати поняття температури можна з різних точок зору. У феноменологічному вченні про теплоту температура вводиться через поняття теплової, чи термічної, рівноваги. Більш загальним є поняття термодинамічної рівноваги. Як тому, так і іншому поняттю важко дати логічне визначеннюя До них приходять у результаті розгляду конкретних прикладів і наступного узагальнення.

Якщо два тіла, температури яких при оцінюванні за допомогою наших органів чуття значно відрізняються між собою, привести до зіткнення одне з одним (наприклад, розпечений метал і холодну воду), то, як показує досвід, одне тіло буде нагріватися, а інше охолоджуватися, поки в системі не припиняться будь-які макроскопічні зміни.

Тоді, застосовуючи термінологію, запозичену з механіки, говорять, що ці два тіла перебувають у стані термодинамічної рівноваги одне з одним і мають однакові температури. Термодинамічна рівновага, як показує досвід, зрештою настає не тільки у випадку зіткнення двох, але й у випадку зіткнення скількох завгодно тіл.

Відзначені факти допускають узагальнення. Назвемо ізольованою, або замкнутою, системою систему тіл, які не можуть обмінюватися енергією з навколишніми тілами. Тоді, яким би не був початковий стан тіл ізольованої системи, у ній, зрештою, встановиться термодинамічна рівновага, у якій припиняться всі макроскопічні процеси. Це положення відіграє важливу роль у термодинаміці і є одним з найважливіших постулатів, який іноді називають загальним началом термодинаміки.

Наведемо ще кілька прикладів стосовно встановлення термодинамічної рівноваги. Припустимо, що тверду оболонку, яка не проводить тепло, розділено перегородкою, яка теж є теплонепровідною, на дві частини. В одній із частин знаходиться рідина, в іншій створено вакуум. Швидко видалимо перегородку. Рідина закипить. У просторі, обмеженому оболонкою, виникає складний рух рідини і її пари. Але, зрештою, він, а також подальше пароутворення рідини припиняться. Одержимо або тільки одну пару (якщо рідини спочатку було мало), або систему, що складається з рідини й насиченої пари. В обох випадках кінцевий стан є станом термодинамічної рівноваги. Це не є стан абсолютного спокою, в якому припиняються всі без винятку процеси. Якщо розглядати цей стан з молекулярної точки зору, то йому властивий невпинний та інтенсивний обмін молекулами між рідиною і парою. Це означає, що безупинно відбувається процес пароутворення рідини й зворотний до нього процес конденсації пари в рідину. Однак у стані термодинамічної рівноваги ці два процеси в цілому як би взаємно компенсують себе: середня кількість молекул, що випаровуються, дорівнює середній кількості молекул, що повертаються з пари назад у рідину. Термодинамічна рівновага, таким чином, — це така динамічна рівновага, коли дуже інтенсивно відбуваються процеси молекулярного масштабу, але всі макроскопічні процеси припиняються. Це стосується будь-якої термодинамічної рівноваги, а не тільки рівноваги, розглянутої в наведеному прикладі.

Якщо в склянку з водою кинути шматок цукру, то початковий стан системи буде термодинамічно нерівноважним — цукор почне розчиняться в рідині. Однак через деякий час, коли процес розчинення припиниться, установиться термодинамічно рівноважний стан; ми матимемо або однорідний розчин, або неоднорідну систему, що складається зі шматка цукру й насиченого розчину навколо нього. В останньому випадку динамічний характер рівноважного стану виявляється в тому, що процес розчинення цукру, якщо його розглядати з молекулярної точки зору, ніколи не припиняється. Однак у стані рівноваги він компенсується зворотним процесом кристалізації цукру з розчину.

Таким чином, за визначенням, два тіла перебувають у тепловій рівновазі одне з одним або мають однакові температури, якщо в разі теплового контакту між ними рівновага не порушується.