Сергей Титов - Естествознание. Базовый уровень. 11 класс

Рис. 12. С. Карно

Для того чтобы отделить в рассуждениях Карно истину от ложных концепций, потребовались исследования, которые были проведены учёными следующего поколения. Одним из исследователей, внёсших наибольший вклад в развитие термодинамики, был Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889), в честь которого названа единица измерения энергии. Проведённые им эксперименты подтвердили, что теплота в физических процессах не сохраняется. Путём точных измерений Джоуль количественно показал, каким образом работа переходит в теплоту, и вычислил механический эквивалент теплоты. Он также определил количество теплоты, которая выделяется при прохождении электрического тока через проводник (закон Джоуля – Ленца). Работы Джоуля показали, что теплота не является особым веществом, и послужили основой для введения в физику понятия энергии и открытию закона её сохранения.

Другому британцу, Уильяму Томсону(1824–1907), более известному под именем лорда Кельвина, удалось объединить, казалось бы, противоречащие друг другу представления Карно и Джоуля. Он предположил, что за результатами их экспериментов скрываются два закона природы и что кроме вещества в физических процессах сохраняется ещё одна физическая величина, которая впоследствии получила название энергии. В результате исследований Кельвина фактически родилась термодинамика. В его честь названа единица измерения абсолютной температуры.

К числу создателей термодинамики следует причислить и Рудольфа Клаузиуса (1822–1888), который не только уточнил выводы Карно и отказался от теории теплорода, но и попытался объяснить природу теплоты на основе поведения частиц, из которых состоит вещество. Тем самым он, c одной стороны, вернулся к представлениям XVII в., но на новой основе, а с другой – заложил основу современного подхода к термодинамике.

Ключевую роль в термодинамике играет закон сохранения и превращения энергии, который был обоснован и сформулирован в 1842 г. немецким врачом Юлиусом Робертом Майером (1814–1878), а в 1847 г. в более строгой и детальной форме – Г. Гельмгольцем. Интересно, что к мысли о сохранении энергии оба исследователя пришли, проводя опыты не на физических, а на биологических объектах.

1. Какие три составные части обязательно входят в состав тепловой машины?

2. В чём заключается значение исследований Джоуля?

3. Кто обосновал и сформулировал закон сохранения энергии?

Прочитайте эпиграф к параграфу. Почему, по мнению Вальтера Нернста, карпы «находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой»? Каких ещё животных мог бы разводить автор третьего начала термодинамики, чтобы не «обогревать на свои деньги мировое пространство»?

Термодинамика строится на нескольких основных законах, называемых началами термодинамики. Из трёх существующих начал термодинамики мы познакомимся с двумя. Первое начало термодинамики представляет собой по существу уже известный нам закон сохранения энергии. Сегодня понятие энергии прочно вошло в нашу жизнь, и нам очень трудно представить, какие интеллектуальные усилия потребовались создателям термодинамики для того, чтобы сформулировать это понятие. Впрочем, тему сохранения энергии мы уже обсуждали раньше и не будем к ней возвращаться, а сосредоточим своё внимание на вопросе свободной и связанной энергии.

Эти понятия рассматривают в связи со вторым началом термодинамики, которое определяет необратимость происходящих в природе естественных процессов. Второе начало имеет много формулировок, одной из которых, самой простой и доступной пониманию, является формулировка, предложенная Р. Клаузиусом: «Невозможен самопроизвольный переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому» . Проявление этого закона в повседневной жизни достаточно очевидно. Если поставить на стол чайник с кипятком, то вода в нём будет остывать, отдавая тепло окружающему воздуху, который при этом будет немного нагреваться. Передача теплоты будет продолжаться до тех пор, пока температуры воды в чайнике и воздуха в комнате не сравняются, после чего теплообмен прекратится. Однако невозможно представить, чтобы вода в чайнике закипела только за счёт того, что окружающий воздух немного охладился. При этом второе начало не утверждает, что переход теплоты от более холодного тела к более нагретому вообще невозможен, оно говорит только о том, что этот процесс не может происходить самопроизвольно. Возьмём обычный домашний холодильник. Его работа заключается именно в том, что он забирает теплоту из внутренней камеры и отдаёт её более тёплому окружающему воздуху. Но для того, чтобы это сделать, он должен получать энергию из внешнего источника – электрической сети. Перестаньте подавать в холодильник электроэнергию, и, как бы ни хороша была его теплоизоляция, рано или поздно температура в его камере сравняется с температурой воздуха в комнате.

Представим себе, что существует тепловая машина, состоящая из нагревателя, холодильника и рабочего тела. Машина является изолированной системой, т. е. ниоткуда не получает энергию и не отдаёт её внешней среде. Теплота переходит от нагревателя к холодильнику, заставляя рабочее тело совершать работу. Но в процессе этой работы количество теплоты в нагревателе, а следовательно, и его температура уменьшаются, а в холодильнике соответственно увеличиваются. Когда они сравняются, теплообмен прекратится, и работа в машине станет невозможна. Куда израсходовалась энергия, с помощью которой совершалась работа? Поскольку система изолирована, она никуда не могла исчезнуть, её количество осталось прежним, но она перешла из свободного состояния в связанное. Почему так получилось?

Рис. 13. Тепловая электростанция

Потому что в системе исчезла разница температур. Средняя кинетическая энергия молекул рабочего тела осталась прежней, но, поскольку температуры нагревателя и холодильника сравнялись, в движении молекул исчезла всякая направленность, оно стало беспорядочным, хаотичным. А между хаотичностью движения молекул и связанностью энергии существует прямая связь. Для того чтобы обладать свободной энергией, молекулы должны двигаться преимущественно в одном направлении, а для этого между частями системы должно существовать какое-либо различие. Чем больше это различие, тем эффективнее работает машина. При любом процессе часть свободной энергии передаётся окружающим молекулам и вызывает их хаотическое тепловое движение. Поэтому вся имеющаяся в машине свободная энергия не может быть превращена в полезную работу – часть её перейдёт в беспорядочное движение молекул и будет навсегда потеряна для практических целей. Степень этой потери определяется коэффициентом полезного действия (КПД)машины, который выражает отношение полезной работы к затраченной энергии. Этот коэффициент, даже теоретически, в идеальных машинах, не может достичь 100 %, а в реально существующих механизмах он значительно меньше. Так, КПД современных тепловых электростанций и двигателей внутреннего сгорания не превышает 50 % (рис. 13). В самых эффективных из существующих двигателей – мощных динамомашинах (генераторах), где электрическая энергия производится непосредственно из механической и где почти не происходит тепловых потерь, КПД может достигать 95 % (рис. 14).