1 Основы термодинамики
Термодинамика – это наука об энергии, о принимаемых ею формах и о правилах, ограничивающих превращение энергии из одной формы в другие. Термодинамика основывается на трех законах, обобщающих наши наблюдения над явлениями природы. В данной главе мы коснемся только первого закона термодинамики, который утверждает, что при любом превращении, происходящем в природе, полная энергия Вселенной остается неизменной. Таким образом, первый закон термодинамики является законом сохранения энергии, который утверждает для нее то же самое, что и закон сохранения материи для веществ, участвующих в каком-либо процессе. Разумеется, энергия может перетекать из одной части Вселенной в другую, а также может превращаться из одной формы в другую. Именно с этими превращениями, их измерением и объяснением нам и предстоит ознакомиться.
1.1 Природа энергии
Что
такое энергия? Ее нельзя увидеть,
потрогать или понюхать, как какое-нибудь
вещество; она представляет для нас более
абстрактное понятие. Поэтому следует
дать правильное определение энергии и
рассмотреть это понятие с общих позиций,
прежде чем углубляться в дальнейшее
обсуждение. Энергия
–
это способность к выполнению работы
или к переносу тепла. Работа (
)
определяется как произведение
результирующей силы (
)
и расстояния (
),
на
котором действует эта сила (этим же
произведением измеряется работа):
(1.1)
Другими словами, работа связана с перемещением тела против действия некоторой силы, а энергия – это «нечто», требуемое для выполнения работы. Например, поднимая книгу, мы совершаем работу, преодолевая силу тяжести, а для выполнения этой работы требуется энергия. Для отделения положительно заряженного иона от отрицательно заряженного также требуется энергия, так как при этом выполняется работа по преодолению силы притяжения между ними. Материя – это то, что наполняет Вселенную, а энергия-то, что движет материю.
ФОРМЫ ЭНЕРГИИ
Энергия
существует во множестве форм, например
в виде тепловой энергии (теплоты),
световой энергии (энергии излучения),
химической энергии, механической энергии
или электрической энергии. Механическая
энергия, в свою очередь, бывает двух
видов - кинетическая и потенциальная.
Кинетическая
энергия -
это энергия движения. Величина кинетической
энергии тела зависит от его массы (
)
и скорости (
)
и
определяется уравнением
(1.2)
Это уравнение говорит о том, что, возможно, уже известно нам из личного опыта: чем больше масса движущегося тела и чем больше его скорость, тем большую работу оно способно выполнить. В системе СИ единицей измерения энергии является джоуль (Дж). 1 Дж = 1 кг∙м2/с2. Джоуль – это кинетическая энергия тела массой 2 кг, движущегося со скоростью 1 м в секунду:
×(2
кг)(1 м/с)2
= 1 кг∙м2/с2
= 1 Дж
Потенциальная энергия - это энергия, запасенная телом и зависящая от его положения или состава. Например, при забивании свай бабу копра поднимают вверх, преодолевая силу тяжести. Поднятая баба обладает потенциальной энергией, позволяющей ей совершать работу; чтобы выполнить эту работу, надо освободить бабу и дать ей свободно падать вниз. Точно так же обладают потенциальной энергией две противоположно заряженные частицы, которые разъединены в результате преодоления силы их электростатического притяжения.
Вернемся снова к примеру с забиванием свай при помощи бабы. Для подъема бабы требуется выполнить работу. Энергия, необходимая для выполнения этой работы, может быть получена за счет физических усилий человека. В современном обществе на многих подобных операциях людей заменили машины, и для подъема бабы можно приспособить простое устройство. В данном случае энергия, запасенная в угле, используемом в качестве горючего, превращается в теплоту, которая передается цилиндру. При нагревании газ внутри цилиндра расширяется и перемещает поршень. Поршень приводит в движение колесо, которое поднимает бабу. Таким образом, энергия угля передается бабе. Опыт, накопленный при наблюдении множества подобных процессов, свидетельствует о том, что, хотя энергия может передаваться от одного тела к другому, а также переходить из одной формы в другую, она никогда не создается из ничего и не исчезает. Подобные наблюдения, подтвержденные количественными измерениями теплоты и работы, лежат в основе первого закона термодинамики.
Если при любом химическом или физическом процессе энергия сохраняется, то может возникнуть вопрос, почему мы так озабочены проблемой истощения источников энергии и откуда взялся распространенный в последнее время термин «энергетический кризис». Ситуация с энергией во многом напоминает ситуацию с веществом. При обсуждении закона сохранения массы мы говорили об истощении природных запасов веществ в том смысле, что они превращаются в формы, которые становятся все менее пригодными для использования. Речь идет о том, что запасы полезных веществ становятся все более рассеянными или что их извлечение требует все больших затрат энергии. В сущности, то же самое справедливо и в отношении энергии: при любом превращении энергии некоторая ее часть всегда превращается в теплоту, которая рассеивается в окружающую среду и, следовательно, не может быть использована для выполнения работы. Например, в обычном автомобиле лишь около 10 % химической энергии бензина превращается в механическую энергию перемещения автомобиля; остальная часть рассеивается в форме теплоты в окружающую среду. На практике большая часть энергии, запасенной в угле или бензине, превращается в теплоту. Когда избыточное количество этой теплоты сосредоточивается в небольшой части окружающей среды, возникает тепловое загрязнение. Так, например, происходит, когда отходящее тепло электростанции нагревает воды озера.