Теплота, энергия и молекулярное движение

Нагревание всякого тела усиливает в нем молекулярное движение. Теплота характеризует состояние движения молекул и атомов. Движущееся тело обладает кинетической энергией, связанной с его массой, m, и скоростью, v, соотношением Е_k = 1/2mv². Потенциальная энергия тела зависит от его положения относительно других тел. Если при перемещении массы между двумя точками пространства А и В выполняется механическая работа, говорят, что в точке А тело имеет большую гравитационную потенциальную энергию, чем в точке В. При желании можно говорить о гравитационном потенциальном поле, в котором происходит движение тела, но при этом мы будем лишь по-иному описывать наши наблюдения, а не объяснять их. Представление о гравитационном поле вытекает из наблюдения, что при перемещении тела между двумя точками пространства выполняется механическая работа. Аналогично, если при перемещении между точками А и В положительного или отрицательного заряда выполняется работа, говорят, что заряд имеет большую электростатическую потенциальную энергию в точке А, чем в точке В. И в этом случае мы можем описывать (но не объяснять) наблюдаемое, говоря об электростатическом поле.

Обратимся теперь к третьему виду энергии: тело обладает им вследствие того, что его атомы и молекулы находятся в состоянии движения, само тело может оставаться неподвижным. Проявлением этого молярного движения является теплота, а его интенсивность измеряется температурой тела. Применяемая нами температурная шкала основана на закономерности расширения идеального газа, а теплота измеряется в тех же единицах, что и работа или энергия. Количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1 моля вещества на 1 К, называется теплоемкостью этого вещества и измеряется в джоулях на кельвин и на моль (Дж/К оль).

Если бы не существовало этого третьего вида энергии, первый закон термодинамики должен был бы принять вид: E = E₂ – E₁ = -w

и формулировался бы следующим образом: работа, выполняемая системой над ее окружением, осуществляется за счет изменения внутренней энергии системы. Иначе, поскольку -w представляет собой работу, выполняемую над системой ее окружением, можно сформулировать последнее уравнение таким образом: работа, выполняемая над системой ее окружением, равна повышению внутренней энергии системы. Эта работа может быть использована для ускорения тел, из которых состоит система, и повышения их кинетической энергии или же она может быть использована для подъема этих тел и придания им большей потенциальной энергии. Полная же формулировка первого закона термодинамики должна быть

такой:

E = E₂ – E₁ = q — w

изменение внутренней энергии системы представляет собой сумму работы, выполненной над системой ее окружением, и повышения беспорядочного движения ее молекул под действием этого окружения. Повышение молекулярного движения рассматривается как перенос теплоты.

Работу всегда можно преобразовать в теплоту. В качестве простейшего примера обычно приводят трение. Камень, движущийся как единое целое с большой скоростью, хотя его молекулы совершают сравнительно медленное беспорядочное движение, останавливается при перемещении по поверхности вследствие трения. После остановки камень уже не имеет скорости движения как единое целое. Однако его молекулы и молекулы поверхности, по которой он скользил, движутся теперь с большими индивидуальными скоростями, чем раньше. Если тело хотя бы частично состоит из газа, молекулярное движение усиливается в прямолинейном направлении во всем сосуде. Если же тело является твердым, в нем усиливается колебательное движение атомов и молекул относительно средних положений в кристалле. В любом случае мы имеем дело с превращением макроскопического движения в микроскопическое.

Этот процесс не вполне обратим. В общем случае невозможно преобразовать беспорядочное молекулярное движение в координированное движение всего тела как единого целого со 100%-ной эффективностью. Невозможность осуществления такого процесса является содержанием второго закона термодинамики. В середине XIX в. были предложены две несколько отличающиеся формулировки этого закона. Одна из них, предложенная Вильямом Томсоном, гласит: «Невозможно превратить какое-либо количество теплоты полностью в работу без того, чтобы часть этой теплоты не оказалась растраченной при более низкой температуре». Вторая формулировка принадлежит Рудольфу Клаузиусу: «Невозможно осуществить перенос тепла от более холодного тела к более горячему телу, не затрачивая для этого работу». Обе формулировки представляют собой подведение итогов большого практического опыта. Они указывают на ограничения возможного в реальном мире.