Термодинамика — это про энергию, тепло и работу. Про то, что нельзя просто так взять и получить энергию из ничего. И про то, что всё со временем разрушается — это станет великим вторым законом.
Каждое тело хранит энергию внутри: молекулы движутся, атомы вибрируют, взаимодействуют. Сумма этой энергии — внутренняя энергия. Для идеального одноатомного газа:
Это просто закон сохранения энергии в тепловых процессах: подведённое тепло идёт на изменение внутренней энергии и на работу.
Здесь A — работа, совершённая газом против внешних сил. Газ расширился — совершил работу A > 0. Газ сжали — над ним совершили работу, и в формулу она входит со знаком минус.
Графически работа газа — площадь под кривой на диаграмме p–V. Расширился по большому прямоугольнику — сделал большую работу, сжался по малому — забрали меньше.
Машина, которая берёт тепло и превращает его в работу. Бензиновый двигатель, турбина электростанции, реактивный двигатель — все работают по одной схеме: нагреватель → рабочее тело → холодильник.
η — какой процент подведённого тепла превратился в работу. У реальных машин — не более ~40%. Остальное улетает в холодильник (окружающую среду) в виде бесполезного тепла.
Ни одна реальная машина не бывает эффективнее машины Карно. Хочешь больше КПД — нужно большее отношение температур нагревателя и холодильника.
Невозможно перевести тепло от холодного тела к горячему без затрат работы. И: хаос (энтропия) замкнутой системы не убывает. Разбитая чашка сама не собирается, комната сама не убирается.
Энтропия — мера беспорядка. Капли чернил расплываются по воде, духи заполняют комнату — система всегда стремится к максимуму беспорядка. «Время идёт вперёд» физически означает «энтропия растёт».
При приближении к абсолютному нулю (0 К = −273 °C) движение частиц почти прекращается, но достичь точного нуля невозможно — чем ближе, тем тяжелее отбирать последние капли тепла.
Запомни три кирпича термодинамики: первый — энергию не создать и не уничтожить, второй — тепло само течёт только от горячего к холодному, третий — абсолютный ноль недостижим.