Теория:
Возникновение термодинамики в середине \(XIX\) века было тесно связано с практическими задачами: инженеров и учёных интересовало, как наиболее эффективно превращать теплоту в механическую работу, например в паровых машинах. Поэтому неудивительно, что ключевую роль в её создании сыграли Роберт Майер, Джеймс Джоуль и Герман Гельмгольц, которые сформулировали и обосновали великий закон сохранения энергии для тепловых процессов.
Термодинамика — это раздел физики, который изучает тепловые явления, не вдаваясь в детальное молекулярное строение вещества. В то время как молекулярно-кинетическая теория (МКТ) объясняет процессы «изнутри», рассматривая движение миллионов молекул, термодинамика смотрит на них «снаружи». Она оперирует макроскопическими параметрами — такими как давление, объём и температура, которые мы можем измерить манометром, термометром.
Макроскопические параметры, которые описывают термодинамические процессы и состояния тел, разделяются на внешние и внутренние, и признаком классификации является расположение этих тел в пространстве:
1) внешние параметры (например, объём \(V\)) — физические величины, которые определяются положениями (координатами) внешних тел;
2) внутренние параметры (например, плотность \(\rho\), давление \(p\)) — физические величины, которые определяются положениями и движением компонентов (частиц) тел и внешними параметрами.
Прежде чем говорить об энергии, нужно определить объект изучения. В термодинамике выделяют из окружающего мира конкретный объект или группу объектов, которые нас интересуют. Это называется термодинамической системой.
Термодинамическая система — это совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют между собой и обмениваются энергией (и, возможно, веществом) с окружающей средой.
Всё, что находится вне системы, называют окружающей средой.
Термодинамическая система состоит из большого количества непрерывно движущихся и взаимодействующих между собой частиц.
Термодинамическая система состоит из большого количества непрерывно движущихся и взаимодействующих между собой частиц.
Пример:
Термодинамической системой может быть:
газ в цилиндре под поршнем;
вода в чайнике, который стоит на плите;
атмосфера Земли.
газ в цилиндре под поршнем;
вода в чайнике, который стоит на плите;
атмосфера Земли.
 |  |  |
Рис. \(1\). Примеры термодинамических систем
В зависимости от того, как система взаимодействует со средой, различают три основных типа систем.
1. Изолированная система — не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом. Это идеализация, но она очень важна для теории.
Пример:
Термос с идеальной стенкой, из которого невозможно ни выкачать тепло, ни выпустить пар.
Весьма близкой моделью можно считать горячий кофе в самом лучшем термосе, если пренебречь ничтожными потерями тепла.
Весьма близкой моделью можно считать горячий кофе в самом лучшем термосе, если пренебречь ничтожными потерями тепла.
2. Закрытая система — обменивается с окружающей средой энергией (например, теплотой или работой), но не обменивается веществом.
Пример:
Запаянная ампула с водой, опускаемая в горячую воду. Ампула получит тепло и нагреется, но количество молекул воды внутри неё останется неизменным.
3. Открытая система — обменивается со средой и энергией, и веществом. Большинство систем в природе и технике являются открытыми.
Пример:
Живая клетка, кастрюля с кипящим супом (из неё выходит пар), работающий двигатель автомобиля (в него поступает топливо и воздух, выходят выхлопные газы и тепло).