2.9.1. Первое начало термодинамики

Термодинамика изучает все многообразие превращений энергии из одной формы в другую. Достоин удивления тот факт, что все это многообразие явлений может быть описано на основе всего трех фундаментальных законов, называемых также началами термодинамики. Другими словами, любые практические выводы о поведении конкретной системы выводятся из этих начал, причем сами начала легко подтверждаются простыми опытами. Все это говорит о том, что начала термодинамики заслуживают того, чтобы они были здесь сформулированы.

Первое начало является математическим выражением закона сохранения и превращения энергии в применении к макроскопическим телам. На языке математики первое начало записывается в виде:

.

Здесь — изменение энергии системы, — совершенная над системой работа, — подведенная к системе теплота. Этот закон устанавливает точный баланс между изменением энергии тела и совершенной над ним работой и количеством подведенного тепла. Если система изолирована, другими словами, над ней не совершается работа и к ней не подводится теплота, то и энергия не будет изменяться. Это и есть одна из формулировок закона сохранения энергии в изолированной системе. Подчеркнем, что первое начало описывает и обратный процесс, а именно, запасенная системой энергия может уменьшаться, вследствие совершения системой работы и передачи тепла окружающей среде. Если учтем, что запасенная энергия любой системой есть величина конечная, то и работа, совершенная системой может быть только конечной. Это означает, что вечный двигатель первого рода невозможен.

2.9.2. Второе начало термодинамики

Первое начало термодинамики, устанавливая энергетический баланс для того или другого процесса, ничего не говорит о направлении протекания процесса. Например, с первым началом одинаково хорошо согласуется процесс превращения работы в теплоту и обратный процесс превращения теплоты в работу. Опыт однако показывает, что существует глубокая асимметрия между этими двумя процессами. Это нашло свое отражение уже в том, что работу в тепло человек превращал еще на заре цивилизации, а обратный процесс удалось освоить только в прошлом веке. Второе начало как раз и определяет направление протекания тепловых процессов. Существует множество совершенно эквивалентных формулировок второго начала. Приведем наиболее известные.

Не существует процессов, единственным результатом которых является переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому. Действительно, из опыта мы знаем, что если привести в контакт два тела с различной температурой, то более нагретое тело будет остывать, а менее нагретое наакроскопическим телам. На языке математики первое начало записывается в виде:

EMBED Equation.2 µ §.

Здесь EMBED Equation.2 µ § — изменение энергии системы, EMBED Equation.2 µ § — совершенная над системой работа, EMBED Equation.2 µ § — подведенная к системе теплота. Этот закон устанавливает точный баланс между изменением энергии тела и совершенной над ним работой и количеством подведенного тепла. Если система изолирована, другими словами, над ней не совершается работа и к ней не подводится теплота, то и энергия не будет изменяться. Это и есть одна из формулировок закона сохранения энергии в изолированной системе. Подчеркнем, что первое начало описывает и обратный процесс, а именно, запасенная системой энергия может уменьшаться, вследствие совершения системой работы и передачи тепла окружающ, что запасс_истемой есть величина конечная, то и работа, совершенная системой может быть только конечно вечный двигатель перво2_.9.2. Второе начало термодинамики

Первое начало термодинамики, устанавливая энергетический баланс для того или другого процесса, ничего не говорит о направлениа_. а_чалом одинаково хорошо согласуется процесс превращения работы в теплоту и обратный процесс превращения теплоты в работу. Опыт однако показывает, что существует глубокая асимметрия между этими двумя процессами. Это нашло свое отражение уже в том, что работу в тепло человек превращал еще на заре цивилизации, а обратный процесс удалось освоить только в прошлом веке. Второе начало как раз и определяет направление протекания тепловых процессов. Существует множество совершенно эквивалентных формулировок второго начала. Приведем наиболее известные.

Не существует процессов, единственным результатом которых является переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому. Действительно, из опыта мы знаем, что если привести в контакт два тела с различной температурой, то более нагретое тело будет остывать, а менее нагретое наи, так и философами. В настоящее время понятен физический механизм, приводящий к такой эволюции материи. Вещество в виде газа и пыли идет на образование звезд, которые в конечном счете превращаются в компактные объекты (см. гл. 3). В звездах происходит необратимое превращение легких элементов (прежде всего водорода и гелия) в тяжелые, в результате со временем общая масса термоядерного топлива во Вселенной уменьшается.