Природа тепловой формы энергии

Все вещества и тела состоят из атомов и молекул, находящихся в постоянном движении, соответственно, каждая молекула в процессе движения приобретает определенную, в зависимости от своей массы и скорости беспорядочного движения, кинетическую энергию. Поэтому, даже если само тело находится в покое и имеет нулевую потенциальную и кинетическую энергию, оно обладает внутренней энергией, связанной с движением атомов и молекул. Суммарная кинетическая энергия молекул вещества и представляет собой тепловую (внутреннюю) энергию этого вещества или тела. Если мы изменим, состояние системы и заставим атомы и молекулы двигаться более интенсивно, мы говорим, что добавили в систему тепловой энергии, увеличивая ее внутреннюю энергию.

В 18-м веке инженерная мысль открыла возможность превращения тепла в механическую работу. Согласно одному историческому анекдоту, Дж. Уатт создал первую паровую машину, увидев прыгающую крышку на кастрюле с кипятком. Он построил автоматическое паровое устройство для непрерывной работы, основными частями которого были поршневой цилиндр и устройство для периодического вы­броса отработавшего пара. Паровые машины оказались чересчур прожорливыми, неэкономными в плане расхода топлива. Их эффек­тность оказалась сравнительно невелика, да и точного способа измерить ее у физиков в распоряжении не имелось. С целью совершенствования тепловых машин проводились исследования работы пара, что привело к возникновению нового направления в физике: термодинамики.

Термодинамика (греч. «терме» — тепло, «динамис» — сила) — физическая наука, изучающая тепловые и энергетические проявления в любых физических процессах. Перенос вещества, передача энергии, выделение или поглощение теплоты сопровождают самые разнообразные природные феномены, среди которых можно назвать хи­мические реакции, обмен веществ в живых организмах, из­лучение, изменение агрегатного состояния, механические реформации и т. д. Всеми этими процессами, их энергетической стороной занимается термодинамика. Термодинамика отвечает на главные вопросы, связанные с протеканием и самим существованием природных процессов.

Во-первых, возможен ли рассматриваемый процесс при определенных условиях. Во-вторых, в каком направле­нии станет развиваться реально существующий процесс при изменении условий. В-третьих, каково будет заверше­ние этого процесса. Конечная стадия известна физикам заранее — это тепловое равновесие. Термодинамика уста­навливает, как тело (система) приходит к тепловому рав­новесию. Великий А. Эйнштейн писал: «Классическая термоди­намика производит на меня очень глубокое впечатление. Это — единственная общая физическая теория, и я убеж­ден, что в рамках применимости своих основных положе­ний она никогда не будет опровергнута». Термодинамика обладает фантастическим охватом. Она затрагивает буквально все, что только происходит в мире.

Можно сказать, что термодинамика изучает тепло и энер­гию как формы движения материи. Эта физическая дис­циплина основана на «трех китах» — трех законах, кото­рые носят название начал термодинамики, поскольку оп­ределяют всеобщие свойства материи и ее движение. Три начала термодинамики справедливы для всей Вселенной, они управляют процессами, событиями, превращениями, живой и неживой природой, самим ходом времени и свой­ствами пространства. Каждый из этих законов касается какого-либо свойства движения энергии.

Первое начало касается процесса энергообмена, его количественной стороны. Оно указывает, сколько энергии участвует в превращениях, на что она расходуется и как переходит от тела к телу.