2.4. Первый и второй законы термодинамики
Исторически сложилось так, что основным видом энергии, которую первоначально начал использовать человек, была тепловая энергия горения. Поэтому раздел физики, изучающий превращения энергии, и в настоящее время сохраняет традиционное название «термодинамика», а законы превращения называются законами термодинамики.
Первый закон термодинамики называется законом сохранения энергии в тепловых процессах. Его вполне можно считать главным законом природы, основой всех природных явлений. В химических процессах, не затрагивающих релятивистских явлений с превращением массы в энергию, некоторым аналогом этого закона можно считать закон сохранения массы веществ.
Представление о том, что в природе существует нечто незыблемое, постоянное, не возникающее и не исчезающее, существующее вечно, формировалось в умах людей тысячелетиями, по мере увеличения знаний и развития интеллекта. На определённом этапе развития это нечто выразилось в понятии бога. Позднее, с развитием науки появилось понятие энергии. Ставя строгие научные эксперименты, многие учёные начали приходить к выводу, что энергия как мера всего происходящего не исчезает и не появляется, а только преобразуется в виде взаимодействия систем, что можно выразить в виде закона сохранения энергии. Поскольку закон сохранения относится абсолютно ко всем явлениям природы, его доказательства можно найти в трудах большого количества учёных. Но в качестве авторов закона обычно называют три имени: немецкого врача Ю.Р. Майера (1814-1878), немецкого физиолога Г.Л. Гельмгольца (1821-1894) и английского физика Д.П. Джоуля (1818-1889).
Суть закона сохранения энергии формулируется следующим образом. Энергия не возникает из ничего и никуда не исчезает бесследно, а только превращается из одной формы в другую (передаётся от системы к системе).
Конкретный пример цепочки превращений энергии представлен на рис.2.3.
!!!!
Второй закон термодинамики называют законом рассеивания энергии. Этот закон утверждает, что данное количество одного вида энергии нельзя полностью превратить в другой вид энергии, часть энергии всегда будет потеряна. Потерянная энергия обычно рассеивается в виде тепла, но может теряться и в виде других видов энергии. Например, при механической обработке материала кроме нагрева возникает шум. Это означает, что часть энергии расходуется на колебания воздушной среды, превращается в звук. В то же время нагрев обрабатываемой детали может быть настолько сильным, что деталь начинает излучать свет – энергия рассеивается в виде электромагнитных волн. Когда же звук и свет поглотятся средой, то результатом этого станет некоторое повышение температуры среды или произойдут какие-либо другие изменения.
Рассеивание приводит к тому, что любую производимую работу можно характеризовать коэффициентом полезного действия: Кпд = Еп / Ез, где Еп – произведённая полезная работа, Ез – вся израсходованная (затраченная) энергия. КПД принято указывать в процентах, обычно он невысок и редко превышает 50%. Даже в такой машине, как современный автомобиль, который совершенствуется уже не менее 100 лет, КПД составляет величину не более 40%.
Рассеивание происходит потому, что окружающий мир – это бесконечное множество систем, и они практически никогда не взаимодействуют попарно, а почти всегда одновременно в большом количестве. Наблюдатель не в состоянии отслеживать все взаимодействия, его обычно интересует вполне определённое преобразование, которое он и определяет как полезное. Все остальные взаимодействия в этом случае попадают в ранг ненужных или бесполезных. Абстрактная схема, позволяющая продемонстрировать механизм рассеивания энергии, представлена на рис. 2.4.
Рис.2.4.
Схема взаимодействия систем
На рисунке кружками обозначены различные материальные системы, а стрелками - направления передачи энергии. Одной из систем, например, может быть бензин, запас энергии, которого определяется его массой и калорийностью. Энергия сгорания бензина расходуется на нагревание двигателя, на нагревание выхлопными газами атмосферы, на превращение в механическую работу двигателя. Только работа последнего вида является для нас полезной (на рис.2.4. показано жирной стрелкой). Все остальные виды преобразования энергии считаются бесполезными или даже вредными. Например, нам не нужно, чтобы при движении транспорта разрушалась дорога, не хотелось бы также, чтобы нас окатывало с головы до ног грязью, выброшенной из под колёс автомобиля. Вся эта вредная или бесполезная работа производится за счёт энергии сгораемого топлива, но в большинстве случаев мы не можем исключить такие взаимодействия.
Из сказанного следует, что КПД имеет субъективную природу, т.е. существует только при наличии наблюдателя. Без наблюдателя (оценщика) никто не может оценить, какая из стрелок является полезной. В таком случае объективно действуют только законы сохранения, в соответствии с которым вся энергия, содержащаяся в топливе, будет распределена между множеством других материальных систем, при этом в целом энергии не убавится и не добавится.
Схема превращения энергии на рис.2.3
с учётом закона рассеивания будет иметь вид, представленный на рис.2.5.
