Термодинамика описывает тела и вещества через макроскопические параметры: температуру, давление, объём, плотность и другие величины. Она не следит за каждой молекулой отдельно, но учитывает общий результат их теплового движения.
Тепловое равновесие и температура
Тепловое равновесие — состояние термодинамической системы, при котором её макроскопические параметры не меняются с течением времени.
Если два тела находятся в тепловом контакте, энергия обычно передаётся от более нагретого тела к менее нагретому. Когда температуры выравниваются, такой направленный теплообмен прекращается: тела приходят в тепловое равновесие.
Температура — физическая величина, которая характеризует состояние теплового равновесия и показывает направление теплообмена.
Если тело A имеет более высокую температуру, чем тело B, то при тепловом контакте энергия передаётся от A к B. После выравнивания температур тела могут продолжать обмениваться энергией на молекулярном уровне, но на макроскопическом уровне изменения уже не наблюдаются.
Важно
Температура и количество энергии — не одно и то же. Небольшой раскалённый гвоздь может иметь высокую температуру, но его внутренняя энергия меньше, чем у большого ведра тёплой воды.
Связь температуры со средней кинетической энергией молекул идеального газа разобрана в пункте 2.1.7-2.1.8 Абсолютная температура и энергия молекул.
Внутренняя энергия
Внутренняя энергия тела — энергия, связанная с движением и взаимодействием частиц, из которых состоит тело.
Во внутреннюю энергию входят:
- Кинетическая энергия хаотического движения атомов и молекул.
- Потенциальная энергия взаимодействия частиц друг с другом.
Во внутреннюю энергию не включают движение тела как целого. Например, летящий мяч имеет кинетическую энергию как тело, но его внутренняя энергия связана не с полётом, а с движением и взаимодействием частиц внутри мяча.
Внутренняя энергия может изменяться при нагревании, охлаждении, деформации, изменении агрегатного состояния и других процессах. При плавлении или парообразовании часть энергии идёт не на рост температуры, а на изменение взаимного расположения частиц. Это связано с преобразованием энергии в фазовых переходах.
Как изменить внутреннюю энергию
Есть два основных способа изменить внутреннюю энергию тела:
- Совершить работу над телом или дать телу совершить работу.
- Передать энергию без совершения механической работы — за счёт теплопередачи.
Работа в термодинамике рассматривается отдельно дальше в разделе 2.2. Здесь важно выделить именно теплопередачу.
Теплопередача
Теплопередача — способ изменения внутренней энергии без совершения механической работы.
При теплопередаче энергия передаётся от более нагретого тела или участка тела к менее нагретому. В результате внутренняя энергия одного тела уменьшается, а другого увеличивается.
Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекцию и излучение.
Энергию, переданную при теплопередаче, описывают количеством теплоты.
Теплопроводность
Теплопроводность — перенос внутренней энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счёт теплового движения и взаимодействия частиц.
При теплопроводности вещество в целом не переносится. Энергия передаётся от частицы к частице: более быстрые частицы передают часть энергии соседним частицам.
Металлы обычно хорошо проводят тепло. Воздух, мех, вата и другие пористые материалы проводят тепло плохо, потому что в них много воздуха.
Конвекция
Конвекция — перенос внутренней энергии потоками жидкости или газа.
При конвекции переносится не только энергия, но и само вещество. Например, нагретый воздух около батареи расширяется, становится менее плотным и поднимается вверх. На его место приходит более холодный воздух, поэтому в комнате возникает циркуляция.
В твёрдых телах конвекция невозможна: частицы не могут свободно перемещаться потоками, как в жидкостях и газах.
Излучение
Тепловое излучение — перенос энергии электромагнитными волнами.
Излучение отличается от теплопроводности и конвекции тем, что ему не нужна среда. Поэтому энергия от Солнца до Земли передаётся через почти пустое космическое пространство именно излучением.
Любое нагретое тело излучает энергию. При обычных температурах это излучение в основном инфракрасное и невидимо глазом. Чем выше температура тела, тем интенсивнее тепловое излучение.
Не путать
Температура показывает, в каком направлении пойдёт теплообмен, но сама по себе не равна внутренней энергии.
Внутренняя энергия относится к состоянию тела. Теплопередача — это процесс, в ходе которого внутренняя энергия изменяется.
Теплопроводность, конвекция и излучение — разные механизмы одного общего явления: передачи энергии без совершения механической работы.
Коротко
- Тепловое равновесие — состояние, при котором макроскопические параметры системы не меняются.
- Температура характеризует тепловое равновесие и направление теплообмена.
- Внутренняя энергия связана с движением и взаимодействием частиц внутри тела.
- Теплопередача изменяет внутреннюю энергию без совершения механической работы.
- Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.