Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ГЛАВА XX ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
§ 126. Предмет, метод и начала термодинамики
Направления полёта молекул, скорости молекул, их соударения, сце пление их в агрегаты, распад этих агрегатов и другие события микро мира случайны. Однако в природе нет явлений, которые не были бы подчинены закономерностям, и случайными событиями управляют свои законы и прежде всего закон больших чисел. В обширных собраниях молекул выравниваются случайные события, и из «хаоса» микромира закономерно рождается упорядоченный ход явлений в макромире — статистическая закономерность.
Существуют три пути для изучения статистических закономер ностей в физике.
Первый путь: представляют себе картину событий, происхо дящих в микромире, и с помощью точных законов механики и теории вероятностей предугадывают посредством вычислений, к сожалению, сложных, как отразится неупорядоченность микромира на ходе про цессов, доступных непосредственному наблюдению. Это — путь статистической механики.
Второй путь — постоянное сочетание теории с опытом; на основе физических и химических опытов с помощью догадок нащу пывают закономерности, имеющие статистический смысл; придумывают простые «модельные объяснения» этих закономерностей и на основе созданных таким образом временных и ещё далеко не совершенных гипотез планируют новые серии опытов для уточнения ранее найден ных закономерностей и для обнаружения новых фактов. Это — путь молекулярной физики.
Третий путь своеобразен. Он принадлежит термодинамике. Из большого числа добытых опытом истин избираются только две-три, но зато наиболее достоверные, основные по своему значению и общности, а затем методом строго логического вывода следствий из них устанавливают множество частных закономерностей, позволяющих точно предугадать ход различных процессов и свойства разнообраз ных веществ.
Исторически термодинамика возникла в результате требований, предъявленных к физике со стороны теплотехники. Но она давно переросла эти требования. Теперь понятия «тепло» и «работа» играют в термодинамике хотя и важную роль, но всё же они ни в какой мере не определяют предмета термодинамики.
Предметом термодинамики служат все те факты (объекты и яв ления) физики и химии, которые представляют собой статистически закономерный результат событий, разыгрывающихся в микромире, Типичными примерами фактов, подлежащих термодинамическому исследованию, являются: диффузия и вообще неупорядоченное про никновение молекул одного вещества в гущу молекул другого (раство рение, абсорбция); охлаждение и нагревание, сопровождающиеся изменением интенсивности движения отдельных элементарных частиц вещества; химические реакции; кристаллизация, плавление, испарение и т. д.
Таким образом, предмет термодинамики, статистической механики и молекулярной физики один и тот же. Эти три науки родственны, развиваются параллельно, но методы их глубоко различны.
Термодинамика черпает своё содержание дедуктивным методом из нескольких законов физики, установленных с полной достоверностью опытным путём. Все её выводы являются поэтому столь же досто верными, как и законы, положенные в её основу (конечно, подразу мевается условие, что в ходе рассуждений не было допущено какой-либо логической или вычислительной ошибки).
В настоящее время эмпирический базис термодинамики слагается из двух основных и одного дополнительного законов. Термодинамика как самостоятельная наука возникла тогда, когда были открыты два основных её закона. Мы будем называть их поэтому началами тер модинамики. Третий закон (так называемый тепловой закон Нернста) был установлен сравнительно недавно и служит фундаментом лишь для некоторых дополнительных глав термодинамики, Первое и второе начала термодинамики могут быть сформулированы так.
Первое начало. Невозможно возникновение или уничто жение энергии.
Второе начало. Невозможен процесс, единственным резуль татом которого было бы превращение теплоты в работу.
Сформулируем эти начала иначе, чтобы сразу стало очевидным их значение для техники. С этой целью введём представление о веч ном двигателе (перпетуум мобиле) первого и второго родов.
Двагатель, который, повторяя произвольное число раз один и тот же процесс, был бы способен производить работу в количе стве, большем по сравнению с тем количеством энергии, кото рое он поглощает извне,—другими словами, двигатель, который сам бы рождал энергию, — называют перпетуум мобиле первого рода.
Под именем перпетуум мобиле второго рода подразумевают такой тепловой двигатель, который, повторяя произвольное число раз один и тот же процесс, был бы способен целиком превращать в работу всё тепло, почерпаемое им у какого-нибудь тела ила тел, играющих роль источников тепла (не нуждаясь, таким образом, в других телах, служащих для стока теплоты, не превращённой в работу).
Например, если бы можно было изобрести такую паровую машину, которая всё тепло, заимствуемое у котла, полностью превращала бы в работу и не нуждалась бы, следовательно, ни в холодильнике, ни в каком-либо теле, заменяющем холодильник, то эта машина была бы перпетуум мобиле второго рода.
Обе эти машины, с точки зрения нужд человека, являются особо заманчивыми. Будь построено перпетуум мобиле первого рода, чело вечеству уже не надо было бы больше заботиться о топливе, хими ческая энергия которого преобразуется в двигателях внутреннего сгорания и в паровых машинах в энергию механическую, не надо было бы сооружать плотины на реках для гидросиловых уста новок.
Будь построено перпетуум мобиле второго рода, мы овладели бы неисчерпаемыми природными источниками тепла. Простой расчёт показывает, что при посредстве перпетуум мобиле второго рода мы могли бы, преобразуя получаемую от воды океанов теплоту в работу, приводить в движение машины всех заводов, существующих во всех странах света, и только через 1700 лет заметили бы, что темпера тура воды в океанах понизилась на одну сотую градуса.
Было сделано несчётное количество попыток построить вечный двигатель. Это никому не удалось. Случайность ли это? Не следует ли продолжить и усилить попытки?
Ответ на эти вопросы дают два начала термодинамики:
Первое начало говорит: перпетуум мобиле первого рода невоз можно.
Второе начало говорит: перпетуум мобиле второго рода невоз можно.
Двигатели описанного свойства могут существовать лишь в нашей фантазии; в реальном бытии им нет места. Попытки их осуществить обречены на бесплодность. Усилия надо направить не на их осуще ствление, а прежде всего на то, чтобы понять, почему двигатели описанного свойства оказываются невозможными.
Область термодинамики ограничена в отношении размеров иссле дуемых тел, а именно: размеры исследуемых тел должны быть до статочно велики, чтобы было обеспечено выравнивание случайных событий микромира. Этому требованию удовлетворяют, впрочем, даже весьма малые, с нашей точки зрения, тела, так как уже в одной булавочной головке содержится молекул больше, чем вёдер воды в Каспийском море. Однако благодаря прогрессу экспериментальной техники (микроскопы, ультрамикроскопы и т. д.) нашему изучению стали доступны крупицы вещества, слагающиеся из сравнительно небольшого числа частиц. Понятно, что для выяснения свойств каж дой такой крупицы, взятой в отдельности, законы статистики уже непригодны. Поэтому к таким крупицам вещества неприменимы и законы термодинамики (вытекающие из второго начала).
Свойства обширного агрегата частиц (свойства «целого») не яв ляются простой суммой свойств отдельных молекул (свойств состав ных частей). На некоторой ступени нарастания числа частиц в агре гате рождается новое «качество». Термодинамические законы (выте кающие из второго начала), неприменимые к отдельным молекулам и ультрамикроскопическим крупицам вещества, на некоторой ступени сочленения молекул вступают в свои права.
Итак, термодинамика изучает процессы, происходящие только в телах конечных (не элементарно малых) размеров.
1) От лат. perpetuum mobile — вечно движущееся.
2) У паровых машин холодильником служит конденсатор или (в менее экономичных машинах) атмосферный воздух.
1) Тепловой закон Нернста определяет свойства тел при очень низ ких температурах.
1) Слово «термодинамика» происходит от греческих слов therme—те плота и dinamis — сила. Учитывая историю происхождения слова «термо динамика», его надо расшифровывать так: «наука о силах, связанных с теплом» (но вовсе не о движении тепла; изучение явления теплопроводности и зако нов движения тепла не входит в задачи термодинамики).