Законы термодинамики Уже после смерти Сади Карно, в 1850 году, Клаузиус дал новое строго математическое описание цикла Карно с точки зрения сохранения энергии. Клаузиус определяет, что при ра­боте тепловой машины не все количество теплоты, взятое у нагревателя, передается холодильнику. Часть этой теплоты превращается в работу, совершаемую машиной.

Клаузиус пер­вым высказал мысль об эквивалентности работы и количества теплоты как о первом начале термодинамики и записал урав­нение, которое не содержалось в работе Карно. Надо было сде­лать вывод о том, что всякое тело имеет внутреннюю энергию, которую Клаузиус называл «теплом, содержащимся в теле» (U ), в отличие от «тепла, сообщенному телу» (Q ).

Величину U можно увеличить двумя эквивалентными спо­собами — произведя над телом механическую работу (А) или сообщая ему количество теплоты (Q ); U =A +Q Согласно первому началу термодинамики количество теп­лоты, отдаваемое рабочим телом холодильнику Q 1 , должно быть меньше количества теплоты, взятого у нагревателя Q 2 на величину произведенной работы: А= Q 1 - Q 2.

Напомним, что анализ Карно, основанный на представле­ниях о теплороде, предполагает равенство Q 1  и Q 2. Однако одного первого начала термодинамики недоста­точно для объяснения работы тепловой машины. Клаузиус по­казал, что объяснение превращения теплоты в работу основы­вается еще на одном принципе, сформулированном Карно, утверждающем, что в любом непрерывном процессе превраще­ния теплоты горячего нагревателя в работу должна происхо­дить отдача теплоты холодильнику.

Таким образом, имеет ме­сто общее свойство теплоты, заключающееся в том, что теп­лота «всегда обнаруживает тенденцию к уравниванию температурной разницы путем перехода от теплых тел к хо­лодным». Это положение Клаузиус предлагает назвать «вто­рым основным положением механической теории теплоты». В 1852 году Уильям Томсон пришел к аналогичным выво­дам.

Он указал на существование в природе универсальной тен­денции к деградации механической энергии. В 1860 году Уиль­ям Томсон, заменив термином «энергия» устаревший термин «силы», записывает первое начало термодинамики, которое он называет «основным положением механической теплоты»: количество теплоты, сообщенное газу = увеличению внут­ренней энергии газа + совершение внешней работы.

Следует еще раз подчеркнуть важное значение установ­ления эквивалентности теплоты и работы. Понимание количе­ства теплоты как меры изменения внутренней энергии утверж­дало закон сохранения и превращения энергии. Значение работ Клаузиуса и Томсона трудно переоценить. Их работы были основаны на принципе Карно, а также на концепции Майера, Джоуля, Кольдинга о сохранении энергии.

В поисках связей между различными формами движения материи было выработано само понятие энергии. Энергия оп­ределяется как единая мера различных форм движения. Энер­гия проявляется во множестве различных форм. Переход энер­гии из одной формы в другую означает, что энергия в данной ее форме исчезает, превращается в энергию в иной форме. И вот тут-то кроется самое главное, что определяет энергию как фун­даментальное понятие естествознания.

Оказывается, что при любых процессах, происходящих в изолированной системе, пол­ная энергия системы не изменяется, то есть переход энергии из одной формы в другую происходит с соблюдением количе­ственной эквивалентности. Для количественной характеристи­ки различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепловая)

, электро­магнитная, химическая, ядерная и т. д. Закон сохранения энергии — это закон, управляющий всеми явлениями природы; ис­ключений из него науке неизвестно. Для тепловых процессов этот закон утверждается первым началом термодинамики. Взяв оба начала термодинамики за исходные, Клаузиус получил выражение для КПД идеальной тепловой машины: КПД = (Тнагревателя – Т холодильника) / Т нагревателя = (Т1 –Т2)

/Т1                                                                                                                                                       и показал, что КПД любой тепловой машины должен быть меньше или равен КПД идеальной машины: КПД любой машины < (Т1 –Т2)/Т1 Это утверждение также является одной из формулировок II начала термодинамики.

Для идеальной машины Карно справедливо, что (Q 1-Q 2)/Q 1 = (T 1-Т2)/Т1. Отсюда получается равенство Q 1 /Т1 = Q 2/T 2 или Q 1 /Т1 - Q2/T 2= 0. Полученное выражение напоминает закон сохранения и привлекает внимание к величине Q /T . В 1865 году Клаузиус ввел новое понятие — «энтропия» от греческого «поворот», «превращение»). Клаузиус посчитал, что существует некоторая величина S , которая, подобно энер­гии, давлению, температуре, характеризует состояние газа.

Когда к газу подводится некоторое количество теплоты Q , то энергия S возрастает на величину, равную S = Q /T В предыдущей главе говорилось о том, что в течение дли­тельного времени ученые не делали различий между такими понятиями, как температура и теплота. Однако ряд явлений указывал на то, что эти понятия следует различать. Поскольку, например, при таянии льда теплота расходуется, а температу­ра льда не изменяется в процессе плавления.

После введения Клаузиусом понятия энтропии стало понятно, где пролегает гра­ница четкого различения таких понятий, как теплота и темпе­ратура. Дело в том, что нельзя говорить о каком-то количестве теплоты, заключенном в теле. Это понятие не имеет смысла. Теплота может передаваться от тела к телу, переходить в ра­боту, возникать при трении, но при этом она не является сохра­няющейся величиной.