Розділ фізики, що вивчає теплові явища в області макротел з точки зору що відбуваються в них процесів взаємного перетворення теплоти та інших видів енергії, називається термодинамікою. Термодинаміка не стосується микропроцессов, що лежать в основі цих перетворень. Цим термодинамічний метод дослідження явищ відрізняється від розглянутого вище молекулярно-кінетичного, або статистичного методу.
Тіло або сукупність тіл, умовно виділених з навколишнього середовища для більш зручного розгляду відбуваються в них процесів, які можуть обмінюватися між собою, а також із зовнішнім середовищем енергією і речовиною, називають термодинамічною системою. Класична термодинаміка розглядає переважно ізольовані системи, тобто системи, які не обмінюються енергією з довкіллям. При незмінних зовнішніх умовах в ізольованій системі встановлюється рівноважний стан, при якому макропараметри системи (температура, тиск, об'єм) зберігають постійне значення як завгодно довго. Наприклад, газ, що знаходиться в закритій посудині, при постійному обсязі і рівномірно розподілених тиску і температурі може зберігати цей стан як завгодно довго; рідина в закритій посудині при постійній температурі зберігає рівноважний стан з утворився над її поверхнею насиченою парою. Ізольована система, що знаходиться в не-рівноважному стані, мимоволі переходить в рівноважний. Перехід системи з одного стану в інший, відбувається через ряд проміжних станів, і називається термодинамічним процес-сом. Наприклад, якщо на початку температура і тиск в обсязі газу були розподілені нерівномірно, то з плином часу вони само-довільно зрівнюються у всіх його частинах. Процес, який
може мимоволі протікати як в прямому, так і в зворотному напрямках, називається оборотним. Оборотний процес складається з послідовного ряду рівноважних станів. Такий процес є ідеалізованим. До нього наближаються процеси, що протікають настільки повільно, що кожне з проміжних станів встигає досить наблизитися до рівноважного. Ці процеси називаються квазістатичного і до них можна віднести, наприклад, все досить повільно протікають процеси стиснення, розширення, нагрівання і охолоджування газу. Незворотних називається процес, в якому хоча б одна проміжна стан не є рівноважним і процес не можна провести в зворотному напрямку через ті ж проміжні стану. Незворотними є, наприклад, швидко протікають процеси стиснення, розширення, нагрівання і охолоджування газу. За природою незворотними процесами є розширення газу в високий вакуум, взаємна дифузія газів (або будь-яких речовин), передача теп-лоти шляхом теплопровідності та інші.
В основі термодинаміки лежать два закони (історично названі началами), в яких, подібно до закону збереження енергії, підсумовано багатовікової, досвід трудової діяльності людини. Перший закон встановлює кількісні співвідношення при перетворенні теплоти в механічну роботу (або інші види енергії). Другий закон вказує спрямованість відповідних процесів. Перший закон термодинаміки записується в диференціальної формі: і Новомосковскется: кількість теплоти, передане системі, йде на зміну її внутрішньої енергії і на що здійснюються системою роботу проти зовнішніх сил. Перший закон термодинаміки по суті є законом збереження і перетворення енергії для термодинамічної процесу. Внутрішня енергія тіла (системи) - енергія даного тіла (системи), що залежить тільки від його внутрішнього стану. З молекулярно-кінетичної точки зору, внутрішня енергія визначається сумою кінетичної енергії окремих молекул і енергією взаємодії між ними. Зміна внутрішньої енергії dU не залежить від процесу і визначається параметрами початкового і кінцевого стану; навпаки і залежать від процесу переходу з початкового в кінцевий стани.
Повна робота А, що здійснюється газом (системою) визначається
шляхом інтегрування:. Результат інтегрування буде
залежатиме від характеру залежності між тиском і об'ємом газу. Розрізняють чотири основні процеси зміни стану ідеального газу: изохорический, изобарических, ізотермічний і адіабатичний.
Закон збереження енергії встановлює взаімопревращаемость її різних видів, але не вказує, чи є при цьому будь-яка переважна спрямованість. Досвід показує, що в природних процесах така спрямованість існує. Наприклад, будь-які види енергії можуть мимовільно і повністю переходити в теплоту, тоді як теплота може бути перетворена в інші види енергії тільки за допомогою машин, апаратів, тобто при наявності відповідних змін до оточуючих тілах, і при цьому не повністю, так як процес, перетворення пов'язаний з неминучими втратами частини теплоти, яка передається оточуючим тілам. При теплообміні теплота мимоволі переходить тільки від тіл з більш високою температурою до тіл з більш низькою температурою (другий закон термодинаміки). Для того щоб здійснити перехід теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого, як це має місце, наприклад, в холодильниках, потрібні досить складні процеси, для здійснення яких необхідно затратити додаткову енергію.
Тепловий машиною називається пристрій, в якому. внутрішня енергія палива перетворюється в механічну роботу.
З огляду на другий закон термодинаміки, схематично холодильну і теплову машини можна уявити, як показано на рис. 1 при>.
Прикладом теплових машин є установки на теплових електростанціях, де внутрішня енергія нафти, вугілля і газу пре-обертається в механічну роботу, за рахунок якої виробляється електрична енергія. Як ТЕРМОАКУМУЛЯТОР (теплоносіїв) при теплообміні використовуються цегляна або кам'яна піч, нагріта вода, нагрітий пісок і інші речовини.
Досвід показує також, що чим вище температура тіла теплоносія по відношенню до температури навколишніх тіл, тим легше і з меншими втратами можна перетворити що міститься в ньому теплоту в інші види енергії, а коефіцієнт корисної дії теплових машин можна висловити так:, який для ідеального термодинамічної процесу в циклі Карно буде: де - температура нагрівача, а - температура холодильника теплової машини. Також відомо, що практично неможливо перетворити в інші види енергії теплоту, розподілену (розсіяну) між тілами з рівномірною, відносно низькою температурою. Розсіяна теплота є для людини марною, як, наприклад, то величезна кількість теплоти, яке містить вода морів і океанів при температурі мало відрізняється від температури оточуючих тел. Для характе-ристики ступеня «корисності» теплоти в цьому відношенні, а також ко-кількісного оцінки неминучих втрат при перетворенні теплоти, що міститься в даній системі тіл, в роботу або інші види енергії користуються величиною. званої ентропією.
Зміна ентропії визначає оборотність або необоротність процесів, що протікають в ізольованій системі. Так, при оборотних процесах в ізольованій системі не кількість теплоти, а ентропія залишається незмінною: = const і = 0. Усі реальні процеси в газах, що відбуваються досить швидко, не кажучи вже про будь-яких термодинамічних процесах з втратою енергії, незворотні і, отже, протікають зі збільшенням ентропії:> 0.
Таким чином, ентропія може розглядатися як міра ймовірності стану термодинамічної системи, а зростання ентропії означає перехід системи з менш ймовірних в більш ймовірні стану.
Перші два начала термодинаміки дають недостатньо відомостей
про поведінку термодинамічних систем при нулі Кельвіна. Вони доповнюються третім початком термодинаміки, або теоремою Нернста-Планка: ентропія всіх тіл в стані рівноваги прагне до нуля у міру наближення температури до нуля Кельвіна
Передача внутрішньої енергії від одного тіла до іншого без здійснення роботи називається теплопередачей (або теплообміном). Передача тепла здійснюється за допомогою процесів, що відбуваються на молекулярному рівні, зокрема шляхом теплопровідності і теплового випромінювання. Передача теплоти шляхом теплопровідності відбувається між будь-якими тілами - твердими, рідкими або газоподібними, однаковою або різною природи, при безпосередньому зіткненні або через будь-яку проміжний-ву середу, але не через вакуум, в якому немає частинок речовини. Це явище в природі так само універсально, як і теплові руху самих частинок. Передача теплоти шляхом теплопровідності підкоряється закону Фур'є: кількість теплоти, що проходить за проміжки часу. через взяту всередині тіла майданчик. перпендикулярну напрямку поширення тепла, пропорційно часу. площі і градієнту температури, уздовж розглянутого напрямку:
де - коефіцієнт теплопровідності.
Теплопровідність різних речовин відрізняється в досить широ-ких межах. Найменшу теплопровідність мають гази, зокрема повітря. Речовини з низькою теплопровідністю називають теплоізоляційними. До них відносяться головним чином пористі речовини, що містять повітря (пробка, шерсть, повсть і ін.) Теплопровідність тканин людського організму різна. У рідких частин організму (тканинна рідина, плазма крові і ін.) Вона близька до теплопровідності води. Теплопровідність щільних тканин значно нижче, особливо у жировій тканині і зовнішнього рогового шару шкіри. Шкіра і підшкірна жирова клітковина є для організму теплоізоляційним шаром.
Нижче наведені значення коефіцієнтів теплопровідності для кімнатної температури в Вт / (м К): повітря -; азот -;
кисень -; вуглекислий газ - ; папір -; дерево -0,6; цегла - 0,7; мідь - 391; алюміній - 209; срібло - 418,7.
Передача теплоти шляхом теплопровідності в рідких і газоподібних середовищах значно прискорюється при взаємному переміщенні (перемішуванні) нагрітих і холодних мас середовища. Це явище називається теплопередачей при конвекції. При природної конвекції взаємне переміщення частинок середовища відбувається внаслідок різної щільності: нагріті частинки, як і легші піднімаються вгору, холодні опускаються вниз на їх місце. Теплопередача при конвекції є дуже поширене явище в природі, а також широко використовується людиною в різних побутових пристроях. Шляхом конвекції, наприклад, значно прискорюється приготування їжі при односторонньому нагріванні посудини, вирівнюється температура повітря в приміщеннях, що обігріваються печами або радіаторами центрального опалення. Примусова конвекція або циркуляція води використовується при влаштуванні центрального водяного опалення будинків і інші.
Теплообмін за допомогою випромінювання може відбуватися як через проміжну речову середу, якщо вона прозора для випромінювання, так і через вакуум. Теплове випромінювання властиве всім тілам без винятку і відбувається при температурах, відмінних від абсолютного нуля, відповідно до закону Планка.