Аннотация: Материал статьи предназначен для учащихся и любителей физики. Основы термодинамики были заложены в 1824 году французским инженером Сади Карно. В основу учения положено понятие теплорода, как особой, невесомой
Материал статьи предназначен для учащихся и любителей физики. Основы термодинамики были заложены в 1824 году французским инженером Сади Карно. В основу учения положено понятие теплорода, как особой, невесомой субстанции. Предполагалось, что степень нагрева тела определяется количеством теплорода в теле. Отсюда появился термин - количество теплоты. В последствии в термодинамике появились и другие, связанные с теплородом, термины.
Для лучшего восприятия материала рекомендуется прочитать статью: "Взаимодействие и энергия".
В любой термодинамической системе теплотой считается средняя энергия движения структурных элементов этой системы. Хорошо известно, что в любом теле совершаются бесчисленные хаотические движения структурных элементов этого тела. В результате этих движений структурные элементы контактно взаимодействуют друг с другом.
При этих взаимодействиях происходит изменение импульсов движения взаимодействующих структурных элементов, например, атомов или молекул газа или пара.
Рассмотрим механизм этих взаимодействий.
Вспомним, что между взаимодействующими атомами действуют зарядовые силы притяжения и отталкивания, а также и силы инерции. На определённом расстоянии между атомами эти силы равны друг другу. Такое расстояние называется равновесным.
При уменьшении этого расстояния очень быстро возрастают силы отталкивания, а при увеличении этого расстояния силы притяжения сначала возрастают умеренно, а затем возрастание становится асимптотическим, т.е. при стремлении расстояния к бесконечности силы притяжения стремится к нулю, но нуля не достигают.
Примечание.
Силы притяжения между атомами, асимптотически стремящиеся к нулю, являются силами гравитации.
См. " О силах Всемирного тяготения и волнах гравитации".
Рассмотрим тепловые (контактные) взаимодействия двух структурных элементов (атомов) термодинамической системы. Контактное взаимодействие можно разделить на две фазы: фазу торможения, при которой силы упругости возрастают от нуля до максимума, и фазу разлёта, при которой силы упругости, ускоряют взаимодействующие тела в противоположные стороны, уменьшаются от максимума до нуля. При этом суммарный импульс движения не изменяется.
Если импульсы каждого из атомов были разными по величине (вследствие разных скоростей или разных масс) то суммарный импульс так же сохраняется. Закон сохранения импульсов выполняется всегда.
При контактных взаимодействиях работают второй и третий законы Ньютона. Силы упругости, действующие между взаимодействующими телами, равны по величине и противоположны по направлению. При равных силах ускорения тел обратно пропорциональны массам этих тел, поэтому импульсы лёгких тел увеличиваются, а тяжёлых - уменьшаются. Так происходит перераспределение импульсов.
В фазе торможения силы инерции являются движущими силами, которые изменяют равновесное состояние сил упругости, а в фазе разлёта - силами противодействующими силам упругости.
Таких тепловых взаимодействий между структурными элементами термодинамической системы (далее тдс) происходит неисчислимое множество. Вспомним, что число атомов в молярной массе равно числу Авогадро, а средняя скорость тепловых движений структурных элементов тдс равна скорости звука в этой среде.
Все эти движения происходят таким образом, что суммарный импульс тдс равен нулю, а центр масс тдс не изменяет своего положения. Силы, действующие между структурными элементами тдс являются силами внутренними и поэтому не могут изменить положение системы.
Необходимое пояснение.
• Импульс движения тела зависит как от массы тела, так и от скорости движения его. Поэтому и величина инертности тела равна (пропорциональна) импульсу тела. Масса тела, как мера инерции тела, при отсутствии движения существует в потенции и проявляется только при наличии движения тела.
• При тепловых (контактных) взаимодействиях кроме поступательных наличествуют и вращательные движения. При актах контактных взаимодействий происходит излучение и поглощение фотонов тепловых излучений. См. "Светоносная среда. Новая концепция." При этом закон сохранения импульса не нарушается.
Тепловые движения структурных элементов тдс, взаимодействуя со структурными элементами тепловых сенсоров нашей кожи, обмениваются с ними импульсами, средняя величина модуля которых ощущается нами как тепло или холод.
Из сказанного ясно, что уровень тепла определяется величиной импульсов структурных элементов тдс, и при тепловых контактах структурных элементов разных тдс происходит перераспределение величин импульсов между провзаимодействовавшими структурными элементами этих тдс.
Следовательно, тепло передаётся как от горячего тела к холодному, так и от холодного к горячему. Поэтому утверждение о переходе тепла только от горячего тела к холодному является ошибочным.
Любое взаимодействие структурных элементов тдс является проявлением причинности и времени. Действительно, происходящее взаимодействие является следствием предыдущего взаимодействия и причиной будущего, и, одновременно, прошедшим, настоящим и будущим.
Рассмотрим процессы, происходящие в поршневом тепловом двигателе.
Структурные элементы рабочего тела (молекулы газа или пара) в цилиндре совершают тепловые движения сумма импульсов которых всегда равна нулю. Часть из них взаимодействует с поршнем. Возможны три варианта:
• Поршень неподвижен (зафиксирован).
• Поршень движется по движению структурных элементов.
• Поршень движется против движения структурных элементов.
В первом случае работа не производится.
Во втором случае из скорости структурных элементов вычитается скорость поршня. Структурные элементы рабочего тела передают импульсы движения поршню. Температура тела уменьшается.
В третьем случае поршень совершает работу, передавая структурным элементам рабочего тела дополнительные импульсы. Тело нагревается.
Такие процессы происходят во всех тепловых машинах.