Основы термодинамики: как работают двигатели и холодильники

Основные понятия термодинамики

Каждый раз, когда вы завариваете утренний кофе, заводите автомобиль или достаёте свежие продукты из холодильника, вы становитесь свидетелем физических процессов, которые изменили ход человеческой истории. Все эти привычные действия подчиняются строгим, но невероятно красивым правилам. Изучением этих правил занимается термодинамика.

Само слово происходит от греческих корней therme (тепло) и dynamis (сила или мощь). Исторически эта наука зародилась в эпоху промышленной революции, когда инженерам нужно было понять, как заставить паровые машины откачивать воду из угольных шахт максимально эффективно. Сегодня же принципы термодинамики объясняют всё: от работы крошечного кулера в вашем ноутбуке до эволюции огромных звёзд в космосе.

Чтобы разобраться, как тепло превращается в полезное движение (как в двигателях) или как заставить тепло двигаться в обратном направлении (как в холодильниках), нам нужно выучить базовый язык этой науки.

Термодинамическая система и её границы

Представьте, что вы хотите изучить, как остывает суп в тарелке. В мире существуют миллиарды объектов, на которые этот суп влияет: стол, воздух в кухне, пролетающая мимо муха. Учитывать всё это невозможно. Поэтому физики придумали мысленно очерчивать интересующий их объект невидимой границей.

То, что находится внутри этой границы, называется термодинамической системой. Всё, что осталось снаружи — это окружающая среда.

В зависимости от того, насколько прозрачна эта граница для вещества и энергии, все системы делятся на три типа:

Открытые системы — могут обмениваться с окружающей средой и энергией (теплом), и веществом.

Закрытые системы — могут обмениваться только энергией, но не веществом.

Изолированные системы — полностью отрезаны от внешнего мира. Они не отдают и не принимают ни энергию, ни вещество.

| Тип системы | Обмен веществом | Обмен энергией | Пример из жизни | | :--- | :--- | :--- | :--- | | Открытая | Да | Да | Кипящая кастрюля без крышки (вода испаряется, тепло уходит в воздух) | | Закрытая | Нет | Да | Плотно закрытая бутылка газировки на солнце (жидкость не выливается, но нагревается) | | Изолированная | Нет | Нет | Идеальный термос (кофе внутри остаётся горячим вечно, и его количество не меняется) |

> Термодинамика — это единственная физическая теория универсального содержания, относительно которой я убеждён, что в рамках применимости её основных понятий она никогда не будет опровергнута. > > Альберт Эйнштейн

В реальности абсолютно изолированных систем не существует. Даже самый дорогой термос со временем остынет, потому что его стенки всё же пропускают крошечную долю тепла. Однако для удобства расчётов инженеры часто представляют системы изолированными.

!Типы термодинамических систем на примере повседневных предметов: чашка кофе, закрытая бутылка и термос.

Понимание типа системы критически важно. Например, двигатель внутреннего сгорания в вашем автомобиле — это открытая система. Он постоянно всасывает свежий воздух и топливо (вещество), сжигает их, выделяя тепло (энергию), и выбрасывает выхлопные газы наружу.

Макроскопические параметры: как описать систему

Даже в одном напёрстке воздуха находятся миллиарды миллиардов молекул. Они хаотично носятся, сталкиваются друг с другом и отскакивают от стенок. Описать скорость и траекторию каждой молекулы невозможно — с этим не справится ни один суперкомпьютер.

К счастью, нам это и не нужно. Представьте стадион, полный болельщиков. Вам не обязательно знать имя каждого человека и то, что он ел на завтрак, чтобы понять, что стадион «шумный» или «переполненный». Точно так же в физике используют макроскопические параметры — характеристики, которые описывают систему целиком, в её макро-масштабе.

Три главных параметра, с которыми мы будем работать постоянно:

* Температура () — это мера того, насколько быстро двигаются молекулы внутри системы. Чем быстрее они носятся, тем выше температура. Когда вы трогаете горячую кружку, вы буквально чувствуете, как быстро вибрирующие молекулы керамики бьют по молекулам вашей кожи. * Объём () — пространство, которое занимает наша система. Если мы говорим о газе в цилиндре двигателя, то объём — это размер доступной для газа «комнаты». * Давление () — сила, с которой молекулы барабанят по стенкам своего сосуда.

Давайте рассмотрим давление на бытовом примере. Когда вы накачиваете шину велосипеда, вы загоняете внутрь всё больше молекул воздуха. Им становится тесно, они чаще и сильнее бьются о резиновую покрышку изнутри. Именно эти миллиарды микроскопических ударов создают упругость шины, способную выдержать вес взрослого человека.

!Интерактивная модель газа в цилиндре: посмотрите, как связаны температура, объём и давление.

Эти три параметра неразрывно связаны. Если вы возьмёте закрытый пластиковый контейнер с воздухом и начнёте его сжимать (уменьшать объём), молекулам станет теснее, они начнут чаще биться о стенки, и давление внутри вырастет. Если вы положите этот же контейнер на батарею (увеличите температуру), молекулы начнут двигаться быстрее, удары станут сильнее, и давление снова вырастет.

Внутренняя энергия, теплота и работа

Теперь мы подошли к самому сердцу термодинамики — к концепции энергии. Вся суть двигателей и холодильников сводится к перемещению и преобразованию энергии.

У любой системы есть внутренняя энергия (). Это сумма всех энергий движения молекул и энергий их взаимодействия друг с другом. Представьте себе копилку: внутренняя энергия — это общее количество монет внутри.

Как можно изменить количество монет в копилке? Есть только два способа: положить новые или забрать часть старых. В термодинамике тоже есть ровно два способа изменить внутреннюю энергию системы:

Теплопередача (или просто теплота, ) — это передача энергии от более горячего тела к более холодному без совершения механических движений. Вы ставите чайник на плиту, и огонь передаёт свою энергию воде. Вода нагревается, её внутренняя энергия растёт.

Работа () — это передача энергии через механическое воздействие, например, сжатие или расширение.

Связь между этими тремя величинами описывается фундаментальным законом сохранения энергии, который в термодинамике записывается так:

Где — это количество теплоты, переданное системе, — изменение её внутренней энергии (насколько она нагрелась или остыла), а — механическая работа, которую система совершила против внешних сил.

Давайте разберём это на примере, который знаком каждому, кто хоть раз накачивал мяч или велосипедную камеру ручным насосом.

Когда вы с силой давите на поршень насоса, вы совершаете механическую работу над воздухом внутри (сжимаете его). Вы не подносите к насосу зажигалку, то есть теплопередачи нет (). Куда же девается энергия ваших мышц? Она переходит во внутреннюю энергию воздуха ( увеличивается). Молекулы начинают двигаться быстрее, и если вы потрогаете нижнюю часть насоса, вы почувствуете, что металл стал горячим!

А теперь представим обратный процесс. У нас есть металлический цилиндр с газом, закрытый подвижным поршнем. Мы начинаем нагревать цилиндр горелкой (передаём теплоту ). Газ внутри нагревается, его внутренняя энергия растёт, молекулы бьют по поршню всё сильнее и, наконец, толкают его вверх. Газ расширяется и совершает полезную работу ().

Поздравляю! Вы только что поняли базовый принцип работы любого теплового двигателя. Тепловой двигатель — это просто устройство, которое берёт теплоту от сгорания топлива и заставляет газ расширяться, толкая поршни и совершая механическую работу, которая затем крутит колёса вашего автомобиля.

В следующих материалах мы подробно разберём, как именно инженеры заставляют этот процесс повторяться тысячи раз в минуту, создавая мощные моторы, и почему холодильник — это, по сути, двигатель, работающий «задом наперёд».