Что такое термодинамика: объясняем простыми словами

По данным Университета штата Джорджия, количество тепла, передаваемого веществом, зависит от скорости и количества атомов или молекул этого вещества в движении.

Температура — это мера средней кинетической энергии частиц в образце вещества, выраженная в единицах или градусах, обозначенных по стандартной шкале. Наиболее часто используемая температурная шкала — Цельсия, которая основана на температурах замерзания и кипения воды, присваивая соответствующие значения 0 С и 100 С. Шкала Фаренгейта также основана на точках замерзания и кипения воды, которым присвоены значения 32 градуса по Фаренгейту и 212 F соответственно.

Однако ученые во всем мире используют шкалу Кельвина, названную в честь Уильяма Томсона, потому что она основана на общей тепловой энергии, а не на точках замерзания и кипения воды. Эта шкала использует те же приращения, что и шкала Цельсия; например, изменение температуры на 1 С равно 1 К. Однако шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, температуры, при которой происходит полное отсутствие тепловой энергии, и все молекулярное движение прекращается. Температура 0 K равна минус 459,67 F или минус 273,15 C.

Проводимость — это передача энергии через твердый материал. Проводимость между телами возникает, когда они находятся в прямом контакте, и молекулы передают свою энергию через интерфейс.

Конвекция — это передача тепла в жидкую среду или из нее. Молекулы в газе или жидкости, контактирующие с твердым телом, передают или поглощают тепло этому телу или от него, а затем удаляются, позволяя другим молекулам жидкости перемещаться на место и повторять процесс.

Все термодинамические системы генерируют отработанное тепло. Эти отходы приводят к увеличению энтропии, которая является мерой беспорядка системы. Поскольку работа происходит от упорядоченного молекулярного движения, энтропия является мерой энергии, которая недоступна для выполнения работы. Энтропия в любой замкнутой системе всегда увеличивается; она никогда не уменьшается. Кроме того, движущиеся части производят отработанное тепло из-за трения, и излучающее тепло неизбежно вытекает из системы.

Это делает так называемые вечные двигатели невозможными. Сиабал Митра, профессор физики в Университете штата Миссури, сказал: «Вы не можете построить двигатель, который будет эффективен на 100%, а это означает, что вы не сможете построить вечный двигатель. Тем не менее, есть много людей, которые все еще не верят в это, а также те, которые все еще пытаются построить вечные двигатели».

Энтропия также определяется как «мера беспорядка или случайности в замкнутой системе», которая также неумолимо возрастает. Вы можете смешивать горячую и холодную воду, но поскольку большая чашка теплой воды более неупорядочена, чем две маленькие чашки, содержащие горячую и холодную воду, вы никогда не сможете разделить ее обратно на горячую и холодную, не добавляя энергии в систему. Иными словами, вы не можете разобрать яйцо или удалить сливки из своего кофе.

Фундаментальные принципы термодинамики первоначально были выражены в трех законах. Позже ученые выяснили, что более фундаментальным законом пренебрегли, по-видимому, потому, что он казался настолько очевидным, что его не нужно было излагать явно. Чтобы сформировать полный набор правил, ученые решили, что этот самый фундаментальный закон необходимо включить. Проблема, однако, заключалась в том, что первые три закона уже были установлены и были хорошо известны по их присвоенным номерам. Столкнувшись с перспективой перенумеровать существующие законы, что вызвало бы значительную путаницу, или поместить выдающийся закон в конец списка, что не имело бы логического смысла, британский физик Ральф Х. Фаулер предложил альтернативу, которая решила дилемму: он назвал новый закон «Нулевым законом», согласно Колледжу Святого Ансельма. Ниже вкратце представлены все четыре закона:

Наука о термодинамике развивалась веками и ее принципы применимы почти ко всем когда-либо изобретенным устройствам. Ее значение в современной технике трудно переоценить.