Читати книгу - "Чотири закони, що рухають Всесвіт"

Ми помітили, що немає значення, яким способом виконується робота, потрібна для переходу між двома визначеними станами в адіабатній системі (не забувайте, що на цьому етапі система адіабатна). Це спостереження стало поштовхом до визнання такої властивості системи, яка характеризує міру її здатності виконувати роботу. У термодинаміці властивість системи, що залежить лише від поточного стану системи й не залежить від того, яким чином цей стан був досягнутий (як висота в географії), називають функцією стану. Отже, наші спостереження мотивували введення функції стану під назвою «внутрішня енергія». На цьому етапі ми можемо не зрозуміти глибинну природу внутрішньої енергії. Однак ми також не зрозуміли глибинну природу функції стану, який ми назвали температурою, коли вперше зіткнулися з нею в контексті нульового закону.

Ми ще не дійшли до першого закону – для цього знадобиться трохи більше роботи, як у буквальному, так і у фігуральному сенсі. Щоб просунутися, ми далі взаємодіятимемо з тією ж системою, але тепер знімемо теплоізоляцію, щоб система перестала бути адіабатною. Припустімо, що ми знову виконаємо те саме перемішування – почавши з того ж початкового стану і до того моменту, коли система досягне того ж кінцевого стану, як раніше. Однак цього разу ми з’ясуємо, що для досягнення кінцевого стану потрібна інша кількість роботи.

Зазвичай ми з’ясовуємо, що тепер потрібно виконати більший обсяг роботи, ніж в адіабатному випадку. Це змушує нас виснувати, що внутрішню енергію може змінювати якийсь інший чинник, крім роботи. Один зі способів розглянути цю додаткову зміну – це інтерпретувати її як таку, що випливає з передавання енергії із системи в довкілля завдяки різниці температур, що виникає внаслідок виконаної нами роботи з перемішування вмісту системи. Це передавання енергії внаслідок перепадів температури називають теплотою.

Кількість енергії, що передається у формі теплоти в систему або з неї, виміряти дуже просто. Спершу ми вимірюємо роботу, потрібну для досягнення певної зміни адіабатної системи; потім вимірюємо роботу, потрібну для досягнення тієї ж зміни стану в діатермічній системі (без теплоізоляції); і нарешті визначаємо різницю двох значень. Ця різниця – це енергія, що передається у формі теплоти. Варто зазначити, що вимірювання доволі невловного поняття «теплоти» покладене на суто механічну основу. Щоб досягти заданої зміни стану за двох різних умов, потрібно створити помітну різницю у висоті падіння ваги (рис. 7).

Рис. 7. Коли система адіабатна (ліворуч), задана зміна стану досягається за допомогою певного обсягу роботи. Коли в тій же системі досягається така ж задана зміна стану в неадіабатному контейнері (праворуч), то потрібно виконати більше роботи. Різниця дорівнює енергії, втраченій у формі теплоти.

Ми вже впритул підійшли до першого закону. Припустімо, ми маємо закриту систему й використовуємо її для виконання певної роботи або дозволяємо їй вивільняти енергію у формі теплоти. Її внутрішня енергія зменшується. Потім ми на вибраний час залишаємо систему ізольованою від довкілля, а пізніше повертаємося до неї. Ми незмінно з’ясуємо, що її здатність виконувати роботу (тобто внутрішня енергія) не повернулася до початкової величини. Інакше кажучи,

внутрішня енергія ізольованої системи зберігає сталу величину.

Це і є перший закон термодинаміки, чи, принаймні, одне з його формулювань, адже закон має багато еквівалентних форм.

Ще один універсальний закон природи, цього разу людської природи, полягає в тому, що перспектива багатства спонукає до обману. Багатство – і незліченні вигоди для людства – нагромаджувалося б до незліченної міри, якби перший закон не справджувався за певних умов. Наприклад, він виявився б помилковим, якби адіабатна закрита система була здатна генерувати певну роботу без зменшення своєї внутрішньої енергії. Інакше кажучи, якщо нам вдасться створити вічний двигун, то він виконуватиме роботу без споживання палива. А втім, попри величезні зусилля і безліч спроб, людство таки не змогло створити вічний двигун. Звісно, повсякчас з’являлося вдосталь патентних заяв про його створення, але всі вони містили в собі певний елемент шахрайства чи обману. Тепер патентні відомства не приймають до розгляду будь-які проєкти подібних машин, адже перший закон вважають непорушним. Заяви про начебто подолання цього закону не варті того, щоб витрачати на них час і зусилля. У науці, зокрема в техніці, певна обмеженість поглядів, мабуть, цілком виправдана. І це якраз той випадок.

Перш ніж ми залишимо перший закон, нам варто навести лад у термінології та попрактикуватися. Насамперед розберімося з використанням терміна «тепло». У повсякденній мові ми вживаємо слова «тепло» і «нагрівання». Коли теплота переміщається, то ми щось нагріваємо. У термодинаміці «тепло» – це не речовина чи навіть форма енергії, не якась рідина чи щось подібне, а спосіб передавання енергії завдяки різниці температур. Теплота – назва процесу, а не речовини.

Щоденні розмови були б доволі кумедними, якби ми наполягали на точному використанні слова «тепло». У побуті надзвичайно зручно говорити про тепло, що перетікає з одного місця в інше, і про нагрівання предмета. Часто можна почути вираз: «Тепло розтікається». Раніше повсякденне вживання такого формулювання пояснювалося тим, що люди вважали тепло певною рідиною, яка перетікає між предметами з різною температурою.

Справді, є чимало аспектів переміщування енергії за низхідними градієнтами температури, які можна математично обчислити, трактуючи тепло як потік безмасової («невагомої») рідини. Однак по суті це збіг обставин, а не ознака того, що тепло насправді рідина. За допомогою подібних рівнянь можна обчислювати навіть поширення споживацьких смаків серед населення.

Повторювати одне й те саме – доволі нудне заняття, але все-таки нагадаємо ще раз: енергія передається у формі тепла (тобто як наслідок різниці температур). Дієслово «нагрівати» для більшої точності варто було б замінити багатослівним висловом на кшталт «Ми спричиняємо різницю температур, щоб енергія протікала через діатермічну стінку в потрібному напрямі». А втім, життя занадто коротке. За винятком тих випадків, коли ми потребуватимемо цілковитої точності, ліпше застосовувати легший варіант із повсякденної мови. Тож, сподіваючись на краще, дозволимо собі таку легковажність, але не забуваймо, як саме треба тлумачити цей «евфемізм».

Енергію виражають у джоулях (J, Дж): 1 Дж = 1 кг · м2/с2. Можна трактувати 1 Дж як енергію двокілограмової кулі, що рухається зі швидкістю 1 м/с. На кожен удар людського серця витрачається близько 1 Дж енергії.