Законы классической термодинамики

Классическая термодинамика сформулировала два основных закона. Принято формулировать эти законы в двух видах: как принципы, выражающие физическое содержание термодинамических систем, и как оценка технической возможности создания «вечного двигателя» первого и второго рода.

Первый закон. Закон сохранения энергии. Два исследователя, Ю. Майер и Дж. Джоуль, практически одновременно подошли к формулировке закона сохранения энергии для термодинамических систем. Работа Ю. Майера «Обмен веществ» была опубликована в 1845 г. Работа Дж. Джоуля «Механический эквивалент теплоты» — в 1875 г. Оба установили механический эквивалент теплоты. Но Дж. Джоулю принадлежит приоритет в создании знаменитой установки, в которой механическое движение винта под действием спускающихся вниз гирь приводило к нагреванию воды в сосуде. Здесь механическое движение под действием веса гирь вызывало интенсивное движение молекул воды, повышение ее температуры. Он же установил электрический эквивалент теплоты (прохождение электрического тока по проводнику ведет к его на-

греванию). Единицей теплоты является калория. Одна калория означает количество тепла, которое необходимо для нагревания 1 г. воды при нормальном давлении 760 мм рт. ст. от 14,5 до 15,5 °С. 1 ккал — это 1000 кал. Единицей энергии в форме работы является джоуль (Дж). Один джоуль — это работа силы

в 1 Н (ньютон) по перемещению тела массой в 1 кг вдоль направления действия силы на 1 м.

В 1880 г. английский физик Роуланд уточнил значение механического эквивалента теплоты: 1кал — 4,19 Дж, 1 эВ (электронвольт) — 1,6 • 10-19 Дж. Хотя

механический эквивалент теплоты стал широко известен благодаря работам Ю.

Майера и Дж. Джоуля, однако еще в 20-х годах XIX в. он был уже использован французским математиком, физиком С. Карно (1796—1832) в его работе «О движущих силах огня и машинах, способных развивать эту силу» (1824).

С. Карно исследовал термодинамическую природу так называемых круговых циклов. Круговым циклом называется термодинамический цикл, в котором рабочее тело возвращается в исходное положение. В своих исследованиях С. Карно пользовался понятием идеальной тепловой машины, изолированной от окружающей ее внешней среды, т. е. действия на нее внешних сил. В этой машине основой являются обратимые термодинамические процессы: энергия, переходя в другой вид в прямом направлении, переходит из возникшего вида энергии в обратном направлении, последовательно повторяя все промежуточные состояния

в прямом процессе. Это позволило ему сделать вывод, что в идеальной машине энергия сохраняется, не исчезает, переходя из одного вида в другой.

Закон сохранения энергии формулируется следующим образом: поступающая в термодинамическую систему энергия в форме тепла должна быть равна сумме приращений внутренней энергии системы и работы, совершаемой

системой против действия внешних сил. Этот закон раскрывает функциональный смысл понятия энергии термодинамической системы.

В другой формулировке: невозможно сделать двигатель первого рода, который бы совершал работу без подвода к нему энергии извне или совершал бы работу в большем количестве, чем то количество энергии, которое было к нему подведено извне.

В более широком смысле этот закон сформулирован немецким физиком Р.

Эммануэлем (1822—1888), известным больше по ла-

тинскому варианту своей фамилии как Р. Клаузиус. Энергия мира постоянна, т.

е. энергия мира не исчезает и не создается, а существует в постоянном количестве, переходя из одной формы в другую.

Второй закон был сформулирован Клаузиусом:

«Теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому телу». В формулировке У. Кельвина: невозможно создать