Введение

Естественные науки предполагают, что материя существует в двух формах – поле и вещество. Видами ее существования служат движение и взаимодействие различных частей окружающего мира. Традиционно считается, что единой универсальной мерой разных типов движения и взаимодействия указанных частей является энергия, основной единицей измерения которой в системе СИ служит “джоуль” [Дж].

Характерным свойством движения является скорость. Энергию, непосредственно связанную с движением, называют кинетической. Ее оценивают с помощью произведения m∙w²/2, где m – масса, а w – скорость исследуемого объекта.

Характерным свойством взаимодействия частей материального мира служит их относительное расположение. Энергию, связанную с взаимодействием и положением тел, называют потенциальной.

В зависимости от частных видов движения и взаимодействия различают:

- ядерную энергию, связанную с взаимодействием отдельных частей атомных ядер;

- потенциальную химическую энергию, описывающую взаимодействие электронных облаков атомов, входящих в молекулы;

- тепловую энергию, связанную с хаотическим движением молекул;

- механическую энергию, описывающую относительное движение макроскопических тел;

- электрическую энергию, связанную с направленным потоком движения заряженных частиц и взаимодействием последних между собой.

В окружающем мире непрерывно протекают процессы, сопровождающиеся взаимной передачей энергии от одних объектов к другим, а также преобразованиями энергии из одних форм в другие. Передача и получение энергии каким-либо объектом количественно оцениваются с помощью мер, которые называют работа и теплота. Единицей их измерения тоже является “джоуль”.

Работа – количественная мера переданной или полученной при протекании некоего процесса энергии, имеющей организованную форму.

Следует отметить, что любая система (часть окружающего мира) не обладает запасом работы. В системе есть только запас энергии. Таким образом, работа – часть переданной (полученной) от одного тела к другому энергии. Практически все виды передачи энергии можно оценить посредством количества работы. Исключение представляет тепловая энергия – неорганизованная, хаотическая форма энергии. В последнем случае количество переданной энергии оценивается с помощью понятия теплота.

Теплота – количественная мера переданной или преобразованной части энергии хаотического движения молекул.

Итак, организованные виды энергии при ее передаче описываются работой, а единственный неорганизованный – теплотой. Забегая вперед, необходимо подчеркнуть, что с физической точки зрения все виды энергии в итоге должны превратиться в теплоту.

Как таковой запас теплоты в системе (теле) отсутствует. Там содержится запас энергии хаотического движения молекул (на бытовом уровне его называют запасом тепловой энергии).

Вопросы энергетических процессов, протекающих в материальном мире, изучает наука термодинамика. По характеру она является феноменологической, т.е. все ее закономерности получены на основе и систематизации соответствующих опытно-экспериментальных результатов. Название ее связанно с первичными явлениями преобразования теплоты в механическое движение, полученными человеком (Н. Карно). К настоящему времени термин “термодинамика” приобрел всеобъемлющее энергетическое значение. Таким образом, термодинамика – наука, изучающая закономерности преобразования и передачи различных (всех) видов энергии.

Обычно различают следующие разделы термодинамики.

Физическая термодинамика рассматривает общие закономерности преобразования энергии.

Техническая термодинамика изучает закономерности преобразования теплоты в механическую работу. Она является основой теории всех видов тепловых машин, включая авиационные двигатели, и служит теоретической базой теплотехники, инженерной дисциплины, рассматривающей способы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и рабочие процессы тепловых машин.

Химическая термодинамика изучает тепловые процессы, которыми сопровождаются химические реакции.

Термодинамика построена на трех фундаментальных законах (так называемых “началах”). Ниже они будут подробно рассмотрены. Принципиально их суть состоит в следующем.

Первый закон является фактически одной из форм всеобщего закона сохранения энергии.

Второй закон носит ограниченный характер и справедлив только для изолированной части материального мира. Он указывает направление естественного протекания энергетических процессов: всякая система стремится к такому состоянию, чтобы ее потенциальная энергия была минимальной. Формулировка второго закона связанна с понятием энтропии, т.е. количественной меры неопределенности (хаотичности) вероятностной системы, состоящей из бесконечно большого числа элементов и не описываемой детерминированными законами. Второе начало термодинамики гласит, что энтропия не должна убывать. Естественные процессы могут протекать только в сторону, сопровождающуюся возрастанием энтропии. При достижении максимума энтропии система приходит в равновесное, устойчивое состояние.

Согласно третьему закону нельзя достичь абсолютного нуля температуры.

Следует еще раз подчеркнуть, что закономерности термодинамики получены не теоретическим, а экспериментальным путем. К термодинамике тесно примыкает теплопередача – наука, изучающая законы передачи теплоты в пространстве без ее преобразования в другие виды энергии.