Сторінка
1

Термодинаміка — форми енергії і процеси її перетво¬рення в природних і технологічних системах

За висловом сучасного американського вченого-еколога Ю. Р. Одума, екологія — це «біологія навколишнього середовища». Оскільки основним завданням сучасної біології є пізнання життя як особливої форми руху енергії матерії, то саме термодинаміка має безпосереднє відношення до екології, є засобом праці еколога. Більше того, термодинаміка — це наука, без якої не може обійтись жоден хімік, фізик, технолог, економіст, медик і, навіть, журналіст. Саме ця наука дає змогу кожній освіченій людині зрозуміти реальний світ енергетичних процесів і матеріальних перетворень у навколишньому середовищі, живих організмах і виробничих технологіях. Отже, термодинаміка — це наука про форми енергії, процеси її взаємоперетворення і зміни стану природних екологічних і штучно створених технологічних систем.

Усупереч поширеній думці про надзвичайну «складність» термодинаміки вона базується на простих і очевидних висновках зі спостережень природи і на відносно нескладних дослідженнях реальних об’єктів і явищ, які шляхом чітких логічних узагальнень поєднано в наукову теорію, яка адекватно відображає фундаментальні закони природи.

Енергія, теплота, температура і робота

У будь-якому підручнику чи довіднику можна прочитати: «Енергія — узагальнена міра руху матерії». Зрозуміло, що треба було сказати точніше: не «міра», а характеристика, тобто фізична величина руху, оскільки мірою буде її одиниця — джоуль. Отже, «енергія» не є об’єктом чи явищем, а лише його характеристикою? Саме таке визначення ми дали в попередньому розділі. З іншого боку, ми знаємо, що енергію виробляють, передають, вимірюють її кількість. Виникає питання: характеристику явища чи саме явище відображає термін «енергія»? Відповідь така: і перше, і друге залежно від контексту і дефініції його омонімів. На жаль, у науці такі колізії не поодинокі і це потребує уважності. Та й саме явище «енергія» не просте. Стосовно цього у фізиків популярним є вислів: «Набагато легше виміряти, ніж точно знати, що вимірюється». Однак за свідомого ставлення до всіх різночитань терміна «енергія» ми не зазнаємо суттєвих незручностей. У термодинаміці енергія, тепло й робота є характеристиками того самого явища — руху матерії в різних її формах, величина якого згідно із законом збереження матерії і енергії за перетворення останньої в нову форму не змінюється. Згадаємо, що, забиваючи цвях у тверду деревину, ми помічали, що він нагрівається. Це пояснюють тим, що кінетична енергія молотка (робота як форма руху) перетворюється у теплову енергію цвяха. Зі шкільного курсу фізики ми знаємо, що теплота зумовлюється рухом атомів (чи молекул). То може температура є мірою енергії руху атомів? Якщо так, то навіщо користуватися двома фізичними величинами — «температура» й «енергія»? Що ж, власне, характеризує температура?

Спробуємо відповісти на це питання. Кількісну характеристику температури, яку вимірюємо термометром, ми фіксуємо через іншу фізичну величину — довжину. Конкретно — через зміну розміру фізичної величини довжини «робочого тіла» термометра, наприклад, стовпчика ртуті, внаслідок зміни об’єму ртуті за нагрівання. Отже, питання «що показує температура?» зовсім не риторичне. Поняття температури — складне і «незручне» для розуміння. Не існує такої одиниці температури, якою можна виміряти безпосередньо будь-яку температуру, як, наприклад, кілограмом можна виміряти масу будь-якого тіла, метром — його довжину, джоулем — роботу (енергію). Ці фізичні величини характеризують кількісні (екстенсивні) властивості предмета вимірювання, а температура — якісну (інтенсивну) його властивість.

Сукупність величин екстенсивних властивостей об’єктів чи явищ, наприклад, маси, об’єму, кількості речовини, енергії і багатьох інших, є їхньою сумою. Але не можна стверджувати, що сукупність температур двох об’ємів води з різною (чи однаковою) температурою, якщо їх об’єднати, буде вдвічі вищою: інтенсивні властивості не сумуються, а лише усереднюються.

Понад чотириста років минуло відтоді, як Галілей винайшов прилад для вимірювання температури — термоскоп (газовий термометр), а вчені й досі вивчають це явище. Протягом тривалого часу температуру розглядали саме як міру теплоти, тобто в нашому сучасному розумінні як міру енергії, а саму теплоту — як специфічну субстанцію, що входить у речовину за її нагрівання чи яку речовина втрачає за охолодження. Отже, нагріте тіло розглядалось як суміш власної речовини (матерії) і теплоти.

Слово «температура» у перекладі з латинської означає «правильне співвідношення, міра». У нашому випадку міра співвідношення суміші речовини і теплоти.

Нині таке уявлення про температуру забуте, а слово «температура» залишилось, але набуло іншого змісту. Щоправда, як і за часів Галілея ми визначаємо температуру опосередковано — через зміну екстенсивних властивостей «робочого тіла» (посередника).

Найбільш поширеними термометрами є такі, що в них зміна температури фіксується за зміною об’єму (довжини) «робочого тіла», наприклад ртуті, спирту, газу, або за зміною тиску чи термоелектрорушійної сили у термопарах. Але, на жаль, у різних діапазонах температур різні «робочі тіла» змінюють розмір не з однаковим коефіцієнтом пропорційності до зміни величини температури.

Найкращим (ідеальним) «робочим тілом» у таких термометрах міг би бути відомий з молекулярно-кінетичної теорії газів — ідеальний газ, зміна екстенсивних властивостей якого — об’єму чи тиску є лінійною функцією аргументу — температури.

Таку залежність тиску і об’єму ідеального газу від температури відображає відоме рівняння Б. Клапейрона , де P і V відповідно тиск і об’єм, m — маса і M — молярна маса газу, а R — газова стала 8,3. Цю залежність широко використовують у теоретичних розрахунках, але для практичного вимірювання температури ідеальний газ не застосовують — його просто не існує у природі.