Первый закон термодинамики. Необратимость процессов в природе

В одном из прошлых уроков мы выяснили следующее: изменить внутреннюю энергию тела можно путем совершения работы или путем теплопередачи. Сразу хотелось бы сказать, что первый закон термодинамики — это, фактически применение закона сохранения энергии к тепловым процессам. Напомним еще раз формулировку этого закона: никакая энергия не возникает и исчезает. Она переходит из одной формы в другую.

Таким образом, общее количество энергии в природе неизменно. В открытие закона сохранения энергии внесли вклад многие ученые, но, как правило, выделяют троих: открыли закон Роберт Маайер и Джеймс Джоуль (в честь которого названа единица измерения энергии), однако наиболее точную формулировку этому фундаментальному закону дал Герман Гельмгольц.

Итак, первый закон термодинамики гласит: изменение внутренней энергии системы тел при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил, совершенной над системой и количества теплоты, переданного этой системе:

Сразу заметим, что изменение внутренней энергии изолированной системы равно нулю. Действительно: на изолированную систему не действуют внешние силы, и изолированной системе не передается тепло. Довольно часто, при изучении первого закона термодинамики рассматривают не работу внешних сил над системой, а работу самой системы. Как мы уже убедились на прошлых уроках, работа внешних сил над системой равна работе системы с противоположным знаком. Тогда мы можем сформулировать закон несколько иначе: количество теплоты, которое получает система равно сумме изменения внутренней энергии системы и работы, совершаемой системой:

Исходя из первого закона термодинамики, можно заключить, что создание вечного двигателя невозможно. Под вечным двигателем подразумевается некий двигатель, способный совершать работу без потребления энергии от внешних источников. В этом случае, количество теплоты, которое получает система должно быть равно нулю. Тогда уравнение, описывающее первый закон термодинамики, преобразуется:

Из него мы видим, что вся работа в случае вечного двигателя должна совершаться за счет внутренней энергии. Поскольку внутренняя энергия рано или поздно иссякнет, двигатель рано или поздно перестанет работать.

Необходимо отметить, что на сегодняшний день все же существуют некие модели, похожие на вечный двигатель. Например, для его создания можно использовать колесо с полыми спицами. В эти спицы вставляются одинаковые цилиндрические магнитики, а по обе стороны от колеса ставятся большие постоянные магниты, повернутые разными полюсами к колесу.

В результате, один магнит отталкивает магнитики внутри спиц, а другой — притягивает. Это приводит к смещению магнитиков на одну сторону, то есть к смещению центра тяжести. Таким образом, колесо может постоянно вращаться. Конечно, этот механизм тоже не будет работать вечно, поскольку магниты могут размагнититься, да и существует износ механических деталей. Существует множество подобных вариаций так называемых, вечных двигателей, которые работают, используя магнитные поля и силу притяжения. Однако, на сегодняшний день ни одна из таких моделей не признана действительно работающим вечным двигателем.

Еще один вопрос, который мы сегодня рассмотрим — это необратимость процессов в природе. Можно привести ряд примеров: скажем, яблоко может упасть с яблони, но оно никогда самопроизвольно не залетит обратно на яблоню. Котел, который мы нагреваем с помощью сжигания, дров не может внезапно начать отдавать энергию обратно дровам, а сам начать остужаться. Если вы вытопили печь, то она, несомненно, будет остывать, отдавая свое тепло дому. Не может произойти такого, чтоб вся комната начала остывать, а печка бы снова раскалилась. Если вы уроните стакан, то он вполне может разбиться о пол, но вот самопроизвольно восстановиться из осколков стакан не сможет. Можно продолжать приводить подобные примеры до бесконечности, но все они говорят нам о том, что макроскопические процессы в природе протекают в определенном направлении. В обратном направлении они могут протекать только в случае внешнего воздействия, но такие процессы уже нельзя будет назвать самопроизвольными. Отличной демонстрацией невозможности обратимости процессов может послужить практически любое видео в обратной перемотке. В соответствии с подобными наблюдениями, был сформулирован второй закон термодинамики. Мы используем формулировку Рудольфа Клаузиуса: невозможно перевести тепло от более холодной системе к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.

Таким образом, второй закон термодинамики указывает направление протекания процессов, что уже говорит о том, что природные процессы необратимы.

Рассмотрим еще один пример, который позволяет статистически обосновать необратимость тепловых процессов.

Как вы знаете, находясь в сосуде газ занимает весь объем сосуда. Если отодвинуть поршень, увеличив объем, то газ, незамедлительно расширится. Но вот сжаться сам по себе он не сможет.

Чтобы газ самопроизвольно сжался нужно, чтобы все его молекулы оказались в одной половинке сосуда. Мы не будем сейчас объяснять, как рассчитывается вероятность такого события, а просто приведем числа:

Смело можно сказать, что эта вероятность практически нулевая. Да и без расчетов вы понимаете, что такие события никогда не происходят в реальности. Например, какова вероятность того, что пылинки в вашей комнате полностью покроют одну половину стола, а на другую половину не попадут вообще? Или какая вероятность того, что человек, случайно переставляющий шахматные фигуры, сможет обыграть Гарри Каспарова? Ответ на этот вопрос может быть только один: такие события попросту невероятны.