Кому потрібна термодинаміка? Термодинаміка вивчає будь-яку матеріальну систему, лише б процеси в ній зводилися до процесів в тепловій машині. У термодинаміки тому невичерпний вибір тем для досліджень. Загальні закони термодинаміки застосовні до всіх галузях фізики і хімії; до властивостей газів, рідин і твердих тіл; до хімічних реакцій; до електричних і магнітних явищ; до випромінювання; до астрофізиці». Без термодинаміки не було б сучасної теплотехніки, сучасної хімічної промисловості.

Синтез аміаку з водню і азоту, синтез алмазів з графіту - приклади могутності термодинаміки. У сукупності знань, без яких не можна вивести космічний корабель на орбіту, термодинаміка займає важливе місце. До термодинаміки звертаються геолог, синоптик, біолог.

Термодинаміка, необхідна не тільки фізикам, хімікам та іншим представникам науки і технології. Загальні закони термодинаміки - це закони збереження, розвитку і рівноваги. Ці закони повинні знати і розуміти як можна більшу кількість людей.

Для пояснення, що таке термодинаміка, залучені слова, які самі потребують поясненні: робота, теплота, температура. Пояснити незрозуміле через незрозуміле на початку викладу науки - необхідність, але тимчасова. З трійки слів з якогось треба почати. При розповіді, що таке робота, швидше можна ввести читачів в коло ідей і методів термодинаміки, познайомити з її словником.

Ст. Маяковський у вірші «Що таке добре і що таке погано?» не дав визначень хорошого і поганого. Він навів приклади хороших і поганих вчинків. Так зробимо і в науковій книжці для початківців. Розповімо про численних дослідах, в яких мають справу з роботою. Розуміння прийде.

 Приклади роботи. Приклади запозичені у французького математика і військового інженера Ж. Понселе (1788 - 1867). Він і ввів термін «робота» в 1826 р. «Здійснювати механічну роботу - це значить долати або знищувати опору, такі, як молекулярні сили, сила пружин, сила тяжіння, інерція матерії і т. д. Стирати, шліфувати тіло, ділити його на частини, піднімати вантажі, тягнути візок по дорозі, стискати пружини - це значить здійснювати роботу, це означає долати протягом деякого часу опору, безперервно відновлюються».

Ще приклади. Здійснювати роботу - це значить долати тиск газу, рідини, кристала. Стискати газ, рідина, що кристал - це значить здійснювати роботу. Долати електрорушійну силу акумулятора значить здійснювати роботу. Заряджати акумулятор значить здійснювати роботу.

Несхожі явища - підняття вантажу, стиснення газу, пересування візка, стискання пружини, зарядження акумулятора - всі названі одним і тим же словом «робота». За зовнішніми відмінностями треба побачити загальні, істотні для всіх випадків риси.

Рис. 1. Приклади роботи. Робота існує у багатьох формах, тоді як теплота, тільки в одній. В роботі будь-якої форми завжди беруть участь двоє: система і джерело роботи. Наприклад, рука (джерело роботи) затягує гайку (система), стискає пружину (система), піднімає вантаж (система). Вода в колбі (джерело роботи), розширюється при випаровуванні, долає інерцію пробки (система): спочатку спочиваюча пробка набуває швидкість. Джерело роботи (на малюнку не показаний) приводить в рух поршень і стискає газ (система) у циліндрі.

 Поняття роботи. Робота пов'язана з подоланням опору. Не важливо, що створює і що долає опір.

Не важливий характер опору, істотні наявність та подолання опору.

Опір долається при русі - вантаж піднімається, поршень у циліндрі з газом переміщується, пересувається візок, носії електричних зарядів переміщуються в певному напрямку і т. д. При русі без подолання опору немає роботи. Не важливо, що за рух, істотно сам рух.

Робота пов'язана не зі всяким, а тільки з упорядкованим рухом. Весь вантаж піднімається вгору. Весь поршень переміщається в циліндрі в одному напрямку. Вся віз пересувається по землі в одному напрямку. При заряжении акумулятора заряджені частинки одного знака пересуваються в певному напрямку. Впорядкований рух частинок накладається на їх хаотичний рух. (При стисненні газу впорядкований рух всього газу в певному напрямку накладається на хаотичний рух молекул, з яких складається газ.)

Для роботи завжди потрібні два учасника: один створює, інший долає опір. Рука натискає на поршень, всуває його в циліндр і стискає газ, долаючи його опір. Учасники можуть помінятися ролями. Газ розширюється і долає натиск руки, що перешкоджає розширенню. Що це за учасники, не важливо. Необхідно, щоб їх було два.

Остаточно. Робота - це передача упорядкованого руху від одного учасника до іншого з подоланням опору.

Всі бачили естафету з паличкою. Паличка в руках передавального її, в момент передачі і в руках прийняв її - одна і та ж паличка. Груба помилка - мислити передачу роботи зразок передачі палички. Найцікавіше в передачі упорядкованого руху, тобто роботи, від одного учасника до іншого - те, що впорядкований рух ні в одному з учасників не міститься і існує тільки в момент передачі.

При естафеті з паличкою з рук в руки паличка передається, передається речовина. Коли ж рука натискає на поршень і стискає газ у циліндрі, сама рука не передається газу, не потрапляє в газ. Від руки до газу передається впорядкований рух без передачі речовини.

 Закриті системи. З двох учасників передачі роботи один - предмет термодинамічного вивчення, Він спеціально вибирається для цієї мети. Загальна назва цього учасника - термодинамічна система. Системи можуть бути дуже різноманітні: вода, лід, водяна пара, суміші води й льоду, води і водяної пари, льоду і водяної пари; розчин цукру у воді; мідний дріт; каучукова смужка; газова суміш з азоту, водню та аміаку. Але в будь-яку з термодинамічних систем при передачі упорядкованого руху речовина не повинна надходити з боку, ні йти з системи.Термодинамічні системи закриті для переходу речовини. Їх і називають закриті системи.

 Джерело роботи. Другим учасником - його назву джерело роботи - виберемо вантаж, підвішений над поверхнею землі. Вантаж, опускаючись (впорядкований рух), може тягнути візок по дорозі, стискати пружину, приводити в дію динамомашину і заряджати акумулятор. Пружина, розпрямляючись, газ, розширюючись, можуть передавати своє впорядкований рух джерела роботи, і вантаж буде підніматися. Акумулятор, разряжаясь, може привести в рух електромотор, і той підніме вантаж.Впорядкований рух вантажу термодинамічна система може перетворити на будь-яке (залежно від природи системи) впорядкований рух. Тому, щоб провести всі термодинамічні досліди, особливо уявні, в принципі достатній одне джерело роботи.

Джерело роботи не тільки неминучий другий учасник передачі упорядкованого руху. Джерело роботи і служить для вимірювання роботи.Підвішений вантаж дуже зручний для цієї мети.

Рис. 2. Приклади термодинамічних систем. Художник помістив об'єкти термодинамічного вивчення в замкнуте приміщення (шафу).Термодинамічна система - закрита система. У шафі серед інших систем знаходяться живі клітини і миша. Для процесів в клітинах і у миші потрібні поживні речовини, потрібне повітря. У даних прикладах закритими системами будуть клітини, миша разом з необхідною для їх середовищем існування. Клітини, миша не тільки беруть речовини з середовища, але і віддають їх середовищі.Іншим прикладом служить зірка Предметом термодинамічного дослідження є закрита система, взаємодії якої з іншим світом зводяться тільки до обмінам роботою і теплотою. При відсутності таких обмінів закрита система стає ізольованою системою. Ізолювати значні області Всесвіту, набагато більші, ніж окрема зірка, немає можливості - проти дії сил тяжіння немає ніяких екранів.Тому ряд висновків, викладених тут, не поширюється на великі області Всесвіту, як не поширюється в цьому випадку вислів: «Друге початок термодинаміки віщує смерть від тюремного ув'язнення», тому що такий висновок не можна створити.

 Вимірювання роботи. Робота пов'язана з подоланням опору при русі. Щоб подолати опір, потрібна сила. Натиск руки на зовнішню поверхню поршня - це сила, яка долає опір газу з внутрішньої сторони поршня.

Джерело роботи та термодинамічна система при передачі один одному упорядкованого руху рівноправні. Опір газу створює силу. Вона діє на внутрішню поверхню поршня. Ця сила, віднесена до одиниці поверхні, є тиск газу. Опір долається при русі. Тому треба враховувати тільки ту частину сили, яка діє вздовж переміщення. Наприклад, при косому натиску руки на зовнішню поверхню поршня треба враховувати тільки ту частину натиску, яка діє перпендикулярно поверхні поршня.Ця частина натиску долає тиск газу, помножене на внутрішню поверхню поршня. Тиск газу (рідини) завжди діє перпендикулярно поверхні поршня, тобто вздовж переміщення. Надалі при описі термодинамічних дослідів для математичної простоти обмежимося силами, які діють тільки уздовж переміщення. Якщо сила до того ж залишається при переміщенні постійною, то роботу вимірюють: (робота) = (сила постійна діюча вздовж переміщення) Х (переміщення).............(1)

Сила, яку треба подолати, щоб підняти вантаж, або сила, яку створює вантаж при його опусканні,- це вага вантажу. При вертикальних переміщеннях вантажу, малих порівняно з радіусом Землі, вага вантажу (в даному місці) постійний. Тоді роботу, пов'язану з переміщенням вантажу, вимірюють: (робота переміщення вантажу) = (вага вантажу) Х (переміщення вантажу по вертикалі)................(2)

Вантаж знаходиться у спокої до і після переміщення. Горизонтальне переміщення вантажу на роботі підняття (опускання) вантажу не позначається: вздовж горизонталі сила ваги не діє.

Сталість сили при переміщенні - лише окремий випадок. Тиск газу змінюється при переміщенні поршня. При постійній температурі тиск газу збільшується при вдвигании поршня в циліндр (при зменшенні обсягу); тиск зменшується при витягуванні поршня циліндра (об'єм газу збільшується). В цьому випадку переміщення поршня розбивають на дуже велику кількість дуже малих дільниць. Протягом кожного малого ділянки сила залишається (наближено) постійною. Роботу на протязі малого ділянки обчислюють за рівнянням (1): значення сили множать на протяг ділянки.Далі підсумовують ці твори для всіх ділянок. Точним розв'язком задачі займається розділ вищої математики - інтегральне числення. По переміщенню вантажу, тобто зміни в джерелі роботи, можна виміряти роботу. Але дуже важливо вміти обчислювати роботу з даними і про термодинамічної системи.

 Властивості і стан системи. Які дані потрібні, щоб обчислити роботу при переміщенні вантажу? Треба знати початкову та кінцеву висоти вантажу (у спокої) та його вагу. При малих переміщеннях по вертикалі вага залишається постійним. Робота при переміщенні вантажу не залежить від того, перейшов вантаж від однієї висоти до іншої прямо по вертикалі або зигзагоподібно. Робота не залежить від того, чи придбав вантаж при переміщенні швидкість, лише б потім він її сам втратив. На технічному мовою говорять: робота при переміщенні вантажу не залежить від шляху переходу вантажу, а залежить тільки від початкового і кінцевого рівнів вантажу.Зовсім не загальний випадок для роботи, але для її вимірювання дуже зручний.

Рис. 3. Робота при підйомі вантажу не залежить від шляху переміщення вантажу з початкового стану в кінцеве. Піднімемо ми вантаж з землі на вежу вертикально, ми перемістимо вантаж за будь-якого іншого шляху, кількість роботи залишиться незмінним. «Хто сподівається на інше, той нічого не розуміє в механіці» (Галілей).

Які ж відомості про термодинамічної системи потрібні, щоб обчислити роботу при переміщенні поршня, тобто при зміні об'єму системи? Як один з можливих прикладів з величезного числа їх розглянемо азот. Він знаходиться в циліндрі, герметично закритому рухомим поршнем.Стінки циліндра і поршня утворюють межі системи. Джерело роботи розташоване за межами системи. Через ці кордони не має надходити речовина всередину циліндра, та азот не повинен йти з циліндра назовні. Термодинамічна система - закрита система!Межі закривають систему і забезпечують обмін впорядкованим рухом (робота), про це далі, обмін безладним рухом (теплота) або перешкоджають одному або обом обмінам. При наявності рухомого поршня вантаж, опускаючись, може стискати газ або газ, розширюючись, може піднімати вантаж. Застопоривши поршень, ми перервемо зв'язок між вантажем і системою.

При постановці уявних дослідів ми можемо приписувати кордонів будь-які особливості, лише б вони не суперечили законам термодинаміки. Припускають, що товщина стінок циліндра зникаюче мала; що поршень рухається в циліндрі без тертя.

За аналогією з обчисленням роботи при переміщенні вантажу можна здогадатися, що треба знати для обчислення роботи при переміщенні поршня. Початковій висоті вантажу над землею відповідає початкове положення поршня в циліндрі; кінцевою висоті вантажу - кінцеве положення поршня; вазі вантажу - сила, створювана азотом. Але вага вантажу не залежить від висоти. Тиск газу залежить від положення поршня. Тиск газу до того ж залежить не тільки від положення поршня, але і від температури. Автори не бояться говорити про температуру до наступної глави.Вони не хочуть прикидатися, що до прочитання матеріалу читачі нічого не знали про температурі.