Предыдущий урок: Физика для чайников. Урок 15. Энтропия
Вечный двигатель люди пытались создать еще с древних времен. Но ничего у них не вышло, ибо закон сохранения энергии никто не отменял (см. Физика для чайников. Урок 11. Энергия. Закон сохранения энергии). Законы термодинамики тоже запрещают существование вечного двигателя. Что интересно, вечные двигатели классифицируется на:
· Вечный двигатель первого рода — неограниченно долго действующее устройство, способное бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов.
· Вечный двигатель второго рода — неограниченно долго действующая машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел.
Теперь перейдем к первому закону термодинамики. Одна из его формулировок: «Вечный двигатель перового рода невозможен». То есть, как бы вы ни хитрили с подвешиванием разных грузиков на колесе:
которые их должны вращать, без какого-то внешнего усилия или сжигания топлива это работать не будет. Почему? Да потому, что с одной стороны, грузик вращает колесо, а с другой стороны, те же грузики его тормозят.
Теперь перейдем к другим формулировкам первого закона термодинамики:
«Изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты и работой, которую совершает эта система». Математически данную формулировку можно выразить вот такой формулой:
Теперь перевожу. Внутренняя энергия – это суть тепловая энергия. Мы не можем рассмотреть каждую частицу вещества (атом, молекулу), но мы можем иметь представление о некоторых статистических параметрах совокупности данных частиц, например, температура, давление газа, внутренняя энергия. Если мы нагрели газ, и он расширяясь толкал поршень, то он свершили тем самым работу A. Нагревая, мы сообщили ему тепловую энергию Q. Если не вся тепловая энергия истратилась на толкание поршня, то разница ушла во внутреннюю энергию. Как видим, и тут соблюдается закон сохранения энергии.
Еще одна формулировка первого закона термодинамики: «Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение работы над внешними телами». Математически эта формулировка выглядит так:
А теперь перейдем ко второму закону термодинамики. Одна из его формулировок: «Энтропия замкнутой системы может только возрастать». Как вы помните из урока Физика для чайников. Урок 15, энтропия – это мера хаоса. То есть, беспорядок только нарастает, все стремиться к разрушению. И, как правило, процессы, при которых нарастает энтропия, необратимы. Например, если вы разбили тарелку, она не может сама взять и собраться из кусочков обратно. Тепловая энергия переходит от горячих тел к холодным, и никогда наоборот. Это, кстати, еще одна формулировка второго начала термодинамики: «Тепловая энергия может переходить только от более горячих тел к менее горячим». Ну, и отсюда третья формулировка: «Вечный двигатель второго рода невозможен».
Теперь перейдем к третьему закону термодинамики. У него тоже несколько формулировок:
· Энтропия любой системы при абсолютном нуле (0 градусов по Кельвину или примерно -273.15 по Цельсию) является постоянной и не зависит ни от каких переменных параметров (давление, объема и так далее).
· При абсолютном нуле энтропия равна нулю.
· Достижение абсолютного нуля невозможно.
Почему при абсолютном нуле энтропия равна нулю? Вспомним формулу энтропии Больцмана (см. Физика для чайников. Урок 15. Энтропия):
Омега – количество микросостояний, которыми может быть выражено данное состояние в случае абсолютного нуля равно единице. То есть, никакого теплового движения частиц нет, система полностью детерминирована. Логарифм из единицы равно нулю, значит, и энтропия тоже будет равна нулю. Но так как энтропия замкнутой системы может только возрастать, а у тел, имеющих температуру выше абсолютного нуля, энтропия выше нуля, то ясно, что до нуля она никогда не уменьшится.
Следующий урок: Физика для чайников. Урок 17. Электростатические явления. Закон Кулона