Глава 2. Термодинамика

В 1 части данного курса рассматривались проблемы, позволившие лучше воспринять физическую картину мира – становление наших представлений о движении, Вселенной, самоорганизующихся системах. Эти проблемы лучше позволяют понять основы такой важной прикладной науки, как термодинамика. Естественно, из-за недостатка места и времени, а также математической подготовки она не может быть изучена в том объеме, в каком ее изучают студенты естественнонаучных специальностей, но знание студентами юридического факультета ее важнейших законов и понятий будет полезно для расширения кругозора вообще и для юридической практики в частности.

Предмет термодинамики.

В каждом теле, в каждом веществе заключена энергия. Эта скрытая энергия носит название внутренней энергии. Внутренняя энергия представляет собой сумму энергий всех видов движений (поступательного, вращательного, колебательного) частиц, образующих систему, то есть это энергия молекул, ионов, атомов, ядер и электронов, внутриядерная энергия и энергия межмолекулярного взаимодействия. (Не относится к внутренней энергии кинетическая энергия в поле тяготения). Запас внутренней энергии определяется природой вещества, его массой и состоянием системы. Определить абсолютное значение внутренней энергии невозможно, но можно определить изменение внутренней энергии DU системы: при переходе ее из начального в конечное состояние:

DU=U₂-U₁ (1)

Термодинамика - наука о превращениях энергии U . Ее количество зависит от количества вещества, его состояния и характеризует запас энергии системы.

Научный мир разработал понятие "энергия" как свойство тела, дающее ему возможность совершать работу. (Само слово "энергия" по-гречески означает "содержащий работу".) В 1807 году это слово в современном его значении впервые употребил английский физик Томас Янг (1773-1829). Различные явления, способные совершать работу: тепло, движение, свет, звук, электричество, магнетизм, химические изменения и так далее -- стали считаться различными формами энергии.

Слово «термодинамика» происходит от двух греческих слов: «термос» - теплота и «динамикос» - сильный. Термодинамика возникла в XIX веке усилиями Джоуля, Томсона, Клаузиуса, Больцмана. Работа, теплота. Термин теплота введен в 1789 г. французским ученым Лавуазье. Под ним он понимал «невесомую тепловую материю». Теплота рассматривалась как некая жидкость, по-видимому, невесомая, которая окружает атомы всех веществ и может быть извлечена из них в ходе реакций, сопровождающих­ся выделением тепла.

В 1798 г. Бенджамин Томпсон (граф Румфорд) осуществлял надзор за сверлением пушечных жерл на военном заводе в Мюнхене. Процесс изготовления пушек включал от­ливку металлических болванок и сверление в них жерл; сверла приводи­лись в движение лошадьми. На Томпсона произвело большое впечатление, что во время сверления происходило выделение значительного количества теплоты. При попытке сверлить пушки под водой он установил, что вода всегда закипала по прошествии одного и того же промежутка времени. Кроме того, выделение теплоты, по наблюдениям Томпсона, могло про­должаться, по-видимому, бесконечно. Томпсон дал правильное объяснение наблюдавшимся явлениям: работа, выполняемая лошадьми, превращалась в теплоту.

Механический эквивалент теплоты. Окончательно убедили научный мир в том, что теплота и работа являются эквивалентными формами энергии, немецкие ученые Юлиус Майер (1814-1878) и Герман Гельмгольц (1821-1894), а также английский ученый Джеймс Джоуль (1818-1889).

Джоуль - сын пивовара и ученик Дальтона, изучая теплоту, образующуюся при механическом перемешивании воды лопатка­ми под воздействием падающего груза, получил для механического эквивалента теплоты зна­чение, которое в настоящее время составляет 426,7 кгм/ккал (1 ккал = 426,7 кгм). Напомню ( без расчетов), что 1 кал = 4,184 Дж

Возникла мысль о том, что одна форма энергии может преобразовываться в другую, что некоторые тела могут терять энергию в той или иной форме, а другие тела могут приобретать энергию в той или иной форме, и при этом в любой замкнутой системе общая энергия всех форм постоянна. Первым высказал такую мысль немецкий физик Герман Л. Ф. фон Гельмгольц (1821-1894). Поэтому он обычно считается первооткрывателем закона сохранения энергии (1847 год), который формулируется так: