10. ТЕРМОДИНАМИКА

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.

Внутренняя энергия

Каждое тело хранит энергию внутри: молекулы движутся, атомы вибрируют, взаимодействуют. Сумма этой энергии — внутренняя энергия. Для идеального одноатомного газа:

U = (3/2)·ν·R·T
Внутренняя энергия идеального газа

Способы изменить энергию

Первый закон термодинамики

Это просто закон сохранения энергии в тепловых процессах: подведённое тепло идёт на изменение внутренней энергии и на работу.

ΔU = Q − A
Первый закон термодинамики

Знак работы

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.

Работа газа

A = p·ΔV
Работа газа при постоянном давлении

Графически работа газа — площадь под кривой на диаграмме p–V. Расширился по большому прямоугольнику — сделал большую работу, сжался по малому — забрали меньше.

Тепловые двигатели

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 = A / Qн · 100%
Коэффициент полезного действия

η — какой процент подведённого тепла превратился в работу. У реальных машин — не более ~40%. Остальное улетает в холодильник (окружающую среду) в виде бесполезного тепла.

КПД идеальной машины Карно

η = (T₁ − T₂) / T₁ · 100%
Максимальный КПД, температура в Кельвинах

Ни одна реальная машина не бывает эффективнее машины Карно. Хочешь больше КПД — нужно большее отношение температур нагревателя и холодильника.

Второй закон термодинамики

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 простыми словами

Энтропия — мера беспорядка. Капли чернил расплываются по воде, духи заполняют комнату — система всегда стремится к максимуму беспорядка. «Время идёт вперёд» физически означает «энтропия растёт».

Третий закон

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.

← Назад: Молекулярная физика Дальше: Фазовые переходы →