Физика для "чайников" (СИ)

Вообще говоря, есть ещё два начала термодинамики, но в школе их не касаются. Третье начало гласит довольно сложную вещь, которую на простой русский можно перевести как "система стремится к большей собственной хаотичности", что на практике означает принципиальную невозможность достичь абсолютного нуля. И последнее начало термодинамики, почему-то под номером 0, нулевое - всякая система стремится к термодинамическому равновесию внутри себя. Именно на основе этого принципа основана гипотеза "тепловой смерти Вселенной": у нас очень-очень много адски холодного космоса (температура примерно 3 кельвина - то есть минус 270 градусов по Цельсию!) и мало звёзд и планет, у которых хоть и огроменные температуры (от тысяч градусов в ядре планеты и на поверхности звёзд до десятков миллионов в центре звёзд), но которые очень малы по сравнению со всей остальной космической мишурой. Вселенная - это тоже термодинамическая система, значит, рано или поздно она тоже должна устаканить температуру по всей своей бесконечной протяжённости - значит, рано или поздно всем станет очень-очень холодно. Грусть, печаль. Сначала предрекали конец света 21 декабря 2012-го, потом взрыв Солнца, а теперь ещё и Вселенная замёрзнет. Вот и выживай теперь в этом жестоком мире.

Вкратце и поумнее: два возможных упрощения первого закона термодинамики: изотермический и адиабатический процесс. При первом равно нулю изменение внутренней энергии, при втором - количество теплоты: адиабатический процесс - это процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. На графике p(V) адиабата идёт несколько круче изотермы. Работа газа при расширении равна: при неизменном давлении A = p*дельтаV (p - давление, дельтаV - изменение объёма), при изменяющемся давлении равна площади под графиком процесса в осях p(V). При увеличении объёма работа положительна, при уменьшении - отрицательна. Второе начало термодинамики гласит, что все самопроизвольно протекающие тепловые процессы необратимы: тепло всегда переходит от более горячего тела к более холодному; невозможно, чтобы без участия других тел холодное тело самопроизвольно охлаждалось, а горячее за счёт этого нагревалось.

Ну что же, суровые реалии не остановили инженеров, делавших машины, работавшие как раз от расширяющихся газов. Самый дубовый пример, который всегда приводят в школе, - машинный двигатель внутреннего сгорания. Это типичный тепловой двигатель: пары бензина при расширении совершают работу, толкая поршень внутри двигателя, отчего и начинается движение (в итоге вертятся колёса). Мысленно его можно разделить на три части: это нагреватель (запальная свеча), рабочее тело (пары бензина) и холодильник, позволяющий отвести "лишнее" тепло от слишком сильно нагревшегося рабочего тела. Спрашивается, зачем нагревать, а потом охлаждать? Очень просто. Сначала нужно, чтобы наш газ совершил как можно бОльшую работу - а сделать он это может, только если к нему подвести достаточное количество тепла, причём внутреннюю его энергию для самого эффективного использования желательно не менять вообще! (Её увеличение будет означать, что часть тепла будет уходить на нагрев самого газа, что нам не надо, а уменьшение будет означать, что энергия теряется впустую, уходя куда-то наружу. Итого получаем, что первый шаг - это изотермическое расширение). После того, как он расширился (совершил работу, причём при этом отрубается его теплообмен с окружающей средой, иначе вся полезная работа сойдёт на нет - а именно на нагрев всего окружающего - по первому закону термодинамики), его нужно сжать обратно - но газ при этом по-прежнему будет излишне нагрет. А надо, чтобы он снова был холодным (чтобы повторять эту работу снова и снова, нужно как бы "идти по кругу"). Для этого сначала позволяем газу сжаться, прислонив его лбом к холодильнику (изотермическое сжатие; сжатие и остывание одновременно даст слишком большие потери энергии, так как в холодильник тогда уходить будет не только тепло, но и часть внутренней энергии, а нам нужно, чтобы в сторону, в холодильник то бишь, уходило как можно меньше - только тогда двигатель будет работать эффективнее всего... короче, смотри ниже про КПД), а после этого снова отрубаем теплообмен, и газ остывает (адиабатическое охлаждение). И опять всё по кругу, который обозвали циклом Карно - по имени чувака, который это придумал и даже умудрился доказать, что более эффективного теплового двигателя не получить. Итог - газ бьётся в тепловых ударах, а мы имеем реальный двигатель с реальным КПД. Как? Я до сих пор не рассказал, что такое КПД? Так, скорее исправляюсь.

КПД означает "коэффициент полезного действия". Это доля того, сколько энергии, затраченной на работу той или иной системы, переходит в полезную для нас. Считается либо в относительных единицах (от 0 до 1), либо в процентах (от 0 до 100%). С учётом наших двух законов термодинамики можно сразу же отрезать голубую мечту: он никогда не будет равен 100%. Для теплового двигателя это получится: КПД = A/Q. Q мы потратили на нагрев газа - значит, оно зависит от температуры нагревателя (Tн). Реально же мы получаем, что часть тепла уходит в холодильник: КПД = (Qн - Qх)/Qн. Отсюда вывод: надо, чтобы в холодильник уходило как можно меньшее количество тепла, только тогда КПД будет самым большим. Именно поэтому мы и разделили охлаждение на две части, а не стали и остужать, и сжимать газ одновременно. А если ещё упростить формулу - в числителе будет Tн-Tx, в знаменателе - Tн. Итого КПД (обозначается буквой "эта" - это не глупая шутка, буква действительно так называется) равен 1-(Tх/Tн). Итого получаем: единица может быть разве что в том случае, когда температура холодильника равна абсолютному нулю, что недостижимо. Грусть, печаль. Но такова реальность.

Из всех этих вроде бы очевидных законов вытекает ещё один: при теплопередаче количество теплоты, полученное одним телом, равно количеству теплоты, отданному другим, то есть это ещё один "вид сбоку" закона сохранения энергии. Иными словами, сколько наш рабочий газ получил тепла, столько же нагреватель и потерял. То есть у реальных двигателей надо ещё и нагреватель подогревать, и холодильник остужать. Ужас.

Вкратце и поумнее: тепловой двигатель - это устройство, преобразующее тепловую энергию газа в механическую за счёт изменения внутренней энергии рабочего тела (рабочего газа). Любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Двигатель, работающий по циклу Карно, работает в четыре стадии: изотермическое расширение - адиабатическое расширение - изотермическое сжатие - адиабатическое сжатие; обладает максимально возможным КПД. Максимальный КПД такого двигателя (по циклу Карно) равен 1 - (Tх/Tн), где Tх - температура холодильника, Tн - температура нагревателя. Он никогда не будет равен единице (или 100%). Ещё одна форма закона сохранения энергии - уравнение теплового баланса: количество теплоты, полученное телом при нагреве, равно количеству теплоты, отдаваемому передающим ему тепло телом при охлаждении.

Ну что же, потихонечку и доходим до конца термодинамики. Теперь, наконец, отвяжем от себя все эти газы и посмотрим на другие агрегатные состояния вещества - твёрдые тела и жидкости. Здесь придётся чуточку вернуться в молекулярную физику, хотя отличия всех трёх состояний друг от друга объясняли так много, что, скорее всего, мои объяснения могут оказаться только лишними.

Если вернуться обратно, в самое-самое начало (где был мешок с шариками, которые трясли), то, если соединить все шарики друг с другом (необязательно каждого с абсолютно всеми остальными, но они должны быть построены в какой-то ряд, например, соединены как кубик), то это и получится твёрдое тело. Однако это не значит, что шарики там обездвижены - они тоже трясутся, но "прутики", которыми они соединены со своими соседями, не дают им сильно раскачаться. Если же всё-таки сопротивляться прутикам и раскачать шарики настолько сильно, что все прутики отвалятся, и конструкция рассыплется, то это получится плавление твёрдого тела - оно превратится в жидкость. Эту кучу шариков можно положить в мешок (тогда она примет форму мешка), можно насыпать в ящик - она примет форму ящика, - и так далее. Все шарики будут по-прежнему трястись и ударяться друг о друга, при этом держась на достаточно маленьком расстоянии. Если же теперь представить фантастический вариант - шарики начнут трястись настолько сильно, что некоторые из них будут преодолевать притяжение соседей и улетят к чёртовой бабушке прямо вверх, хоть в космос. Это будет один из случаев парообразования - испарение жидкости. Оно всегда происходит само собой, более или менее интенсивно, то есть всегда находятся какие-то особо ушлые молекулы, которые улетают прочь от своих собратьев. Ну а если расшатать абсолютно все шарики так, что они начнут расталкивать друг друга во всех слоях нашей жидкости, то это получится кипение. После кипения все шарики взлетают, образуют газ и очень слабо взаимодействуют друг с другом - если таким взаимодействием можно пренебречь, то это идеальный газ. Обратно - если охладить пыл всех молекул газа, то они попАдают кто куда и соберутся в капельки жидкости - это конденсация газа, - а если ещё сильнее охладить, то между нашими трясущимися шариками начнут образовываться прутики, шарики станут трястись не так сильно, и в итоге жидкость кристаллизуется, или затвердеет.