Как первое начало термодинамики мешает разработке вечного двигателя

Рассказываем, что такое первое начало. Объясняем, как физические законы отражаются на материальном мире и почему нельзя изобрести perpetuum mobile.

Что такое термодинамика?

Это направление в физике, изучающее макроскопические системы (т.е. объединенную чем-либо совокупность большого количества частиц), их свойства, а также способы передачи и преобразования энергии. Оно упрощает жизнь ученых и позволяет сделать статистически верные расчеты для комплекса частиц, параметры которых (скорость, объем, энергия) нельзя измерить обычным путем: например, характеристики газа в баллоне или воздушном шаре.

Важные понятия, которые нам понадобятся в дальнейшем:

1. Термодинамическая система. Это и есть та самая макроскопическая система, о которой мы говорили выше. Для ее описания используются особые характеристики, которые нельзя отнести к каждой отдельной частице, — температура, плотность, давление, объем, масса и т.д. Системы могут быть замкнутыми (огражденными от внешней среды при помощи реальной или воображаемой оболочки) и незамкнутыми. В замкнутых количество частиц считается постоянным.
2. Термодинамическое равновесие. Состояние системы, при котором ее параметры не изменяются в течение определенного промежутка времени.

Как у классической механики есть три закона Ньютона, так у термодинамики есть свои три «столпа». Первое, второе и третье начала.

Первое начало термодинамики

Любая изолированная система обладает постоянным запасом энергии

Так сформулировал первый закон термодинамики Джеймс Прескотт Джоуль.

Это правило приводит нас к выводу, что изменение количества внутренней энергии системы возможно только в 2 случаях:

1. Совершение механической работы.
2. Проведение теплопередачи (такая энергия называется количеством теплоты Q).

При этом любое механическое действие также подразумевает трату энергии, а это значит, что вечный двигатель первого рода (т.е. тот, которому для совершения работы не нужны внешние источники), невозможен. Подробнее об этом мы расскажем ниже.

Формула, выражающая первое начало термодинамики, выглядит так:

Первое начало vs вечный двигатель

Perpetuum Mobile — давняя мечта человечества. Кто стал автором этой фантастической идеи, сейчас уже не узнать. Первые попытки изобретения были предприняты в 12 веке в Индии, но, как мы знаем, не увенчались успехом. Несмотря на это, уже к 14-15 векам идеей был одержим весь цивилизованный мир: чертежи потенциального вечного двигателя были найдены даже среди рисунков Леонардо да Винчи, хотя в целом он относился к затее скептически.

В 19 веке Джеймс Джоуль нашел способ экспериментального подтверждения закона сохранения энергии (первое начало — его вариация для термодинамики). Этого оказалось достаточно, чтобы научный мир смог осознать тщетность попыток изобрести подобного рода механизм.

Работа без внешнего притока энергии возможна только до тех пор, пока у системы есть свой запас, за счет которого и будут совершаться механические действия. Затем устройство перестанет что-либо производить и придет в состояние термодинамического равновесия.

К слову, вечный двигатель второго рода также невозможен: об этом нам говорит второе начало термодинамики.

Надеемся, что наша статья дала представление о том, что такое термодинамика и ее первое начало. А если остались вопросы или нужна помощь с решением задач, то обращайтесь к авторам FenixHelp.