Закони на термодинамиката

Можем да определим термодинамика по два прости начина: науката за топлината и топлинните машини или науката за големите системи в равновесие. Първото определение е и първото в историята. Вторият дойде по-късно благодарение на пионерската работа на Лудвиг Болцман.
Заедно със статистическата физика, от която сега е част, термодинамиката е една от големите теории, на които се основава сегашното разбиране за материята.

Типична термодинамична система - топлината преминава от гореща (изпарител) към студена (кондензатор) и работата се извлича.

Понятията топлина и температура са най-фундаменталните в термодинамиката. Можем да определим термодинамиката като наука за всички явления, които зависят от температурата и нейните промени.

Топлина и температура

Всеки има интуитивни познания за понятието температура. Тялото е топло или студено, в зависимост от това дали температурата му е по-висока или по-ниска. Но точното определение е по-трудно. Един от големите успехи на класическата термодинамика през 19 век е да се даде дефиниция на абсолютната температура на тялото: тя се измерва в келвин, абсолютна нула = нула келвин = -273,15 градуса по Целзий (приблизително).
Топлината е още по-трудна за дефиниране. Стара теория, защитена по-специално от Лавоазие, приписва на специална течност (невидима, непосилна или почти) свойствата на топлината, калоричността, която циркулира от едно тяло в друго. Колкото по-горещо е тялото, толкова повече калории ще съдържа. Тази теория е невярна в смисъл, че калориите не могат да бъдат идентифицирани със запазено физическо количество. Но термодинамиката все още осмисля понятието топлина: това е количеството енергия, обменяно от система, с друга система или външна среда.

Термични машини

Класическата термодинамика започна като наука за топлинните машини или науката за двигателната сила на огъня.
Сади Карно инициира съвременни изследвания на топлинни машини в основна дисертация, Размисли за двигателната сила на огъня и за машините, подходящи за развиване на тази сила. Цикълът на Карно, изучаван в тази дисертация, остава основният теоретичен пример за изучаване на термични машини. Вместо „двигателна сила“, днес казваме, че термичните машини осигуряват работа и се чудим как да използваме топлината за непрекъсната работа.
Движението на макроскопични тела, които в милиметров мащаб и много по-малки, могат да произвеждат топлина, в смисъл, че правят телата по-горещи. Трябва само да потъркате ръцете си, за да го осъзнаете. И обратно, топлината може да задейства макроскопичните тела.
Примерите са многобройни. Можем да ги наречем пожарни машини или топлинни машини. Те са макроскопични системи, които запазват движението си, докато се поддържа температурна разлика между гореща и студена част.

Примери

Една проста свещ задвижва въздуха около нея. Над пламъка се създава възходящ поток. Той се обновява непрекъснато от поток студен въздух, пристигащ отдолу. Те могат да бъдат наблюдавани в тиха стая с пухово перо или при приближаване на друг пламък. Това е конвекционен ток.

Водата в тенджера над огъня започва да се движи като въздух над свещ и като всички течности над достатъчно горещи повърхности. Ако сложите корица, възниква ново явление. Парата повдига капака, който след това пада, за да бъде повдигнат отново, безкрайно, докато огънят или водата се изчерпят, и следователно се получава пара. Казва се, че това просто наблюдение, което може да се направи във всяка кухня, е свързано с изобретението на парни машини. Движението на капака е твърде малко, за да бъде интересно. Той спира веднага щом започне, защото парата, която го тласка, изтича веднага. Но ако поставите капака в цилиндър, получавате бутало, което може да бъде избутано от пара или друг газ при дълъг ход. Паровите двигатели и топлинните машини не винаги са изградени на принципа на буталото и цилиндъра, но много често. Другите решения не са много различни. Можем да считаме, че опитът на капака на тенджерата е в основата на изобретенията на всички топлинни машини.