Начала
термодинамики
Первое начало термодинамики
утверждает, что при превращении
одной формы энергии в другую
полная энергия системы не изменяется,
однако не указывает никаких ограничений
относительно возможности этого
процесса. Поэтому первое начало термодинамики
позволяет рассчитать энергетический
эффект процесса, однако не дает ответа
на вопросы о том, будет ли процесс
протекать самопроизвольно, о направлении
и глубине протекания процесса.
Самопроизвольный
процесс - процесс, который может
протекать без затраты работы
извне, причем в результате может
быть получена работа в количестве,
пропорциональном произошедшему изменению
состояния системы. Самопроизвольный
процесс может протекать или
обратимо, или необратимо. Хотя определение
обратимого процесса уже приводилось,
следует подробнее рассмотреть
это понятие. Чтобы самопроизвольный
процесс протекал обратимо, необходимо
приложить извне такое сопротивление,
чтобы переход был очень медленным
и при бесконечно малом изменении
противодействующей силы процесс мог
пойти в обратном направлении. В
случае обратимо происходящего изменения
состояния системы производится
максимальное количество работы. Всякий
реальный процесс в какой-то степени
является необратимым, и получаемая
работа меньше максимально возможного
теоретического количества.
Вынужденный процесс
- процесс, для протекания которого
требуется затрата работы извне
в количестве, пропорциональном производимому
изменению состояния системы.
Второе начало термодинамики
дает возможность определить, какой
из процессов будет протекать
самопроизвольно, какое количество
работы может быть при этом получено,
каков предел самопроизвольного
течения процесса. Далее, второе начало
термодинамики дает возможность
определить, какими должны быть условия,
чтобы нужный процесс протекал в
необходимом направлении и в
требуемой степени, что особенно
важно для решения различных
задач прикладного характера. Подобно
первому, второе начало термодинамики
выведено непосредственно из опыта. В
то же время второе начало термодинамики
имеет ограниченную область применения:
оно применимо лишь к макроскопическим
системам. Формулировки второго начала
термодинамики:
Теплота не может
самопроизвольно переходить от менее
нагретого тела к более нагретому.
Невозможен процесс, единственным результатом
которого является превращение теплоты
в работу.
Невозможно построить
машину, все действия которой сводились
бы к производству работы за счет охлаждения
теплового источника (вечный двигатель
второго рода). Рассмотрим работу тепловой
машины, т.е. машины, производящей работу
за счет теплоты, поглощаемой от какого-либо
тела, называемого нагревателем. Нагреватель
с температурой Т1 передает теплоту
Q1 рабочему телу, например, идеальному
газу, совершающему работу расширения
А; чтобы вернуться в исходное
состояние, рабочее тело должно передать
телу, имеющему более низкую температуру
Т2 (холодильнику), некоторое количество
теплоты Q2, причем.
Первое
начало термодинамики - один из трех
основных законов термодинамики, представляющий
собой закон сохранения энергии для систем,
в которых существенное значение имеют
тепловые процессы.
Согласно
первому началу термодинамики, термодинамическая
система (например, пар в тепловой машине)
может совершать работу только за счёт
своей внутренней энергии или каких-либо
внешних источников энергии.
Первое
начало термодинамики объясняет невозможность
существования вечного двигателя 1-го рода,
который совершал бы работу, не черпая
энергию из какого-либо источника.
Сущность
первого начала термодинамики заключается
в следующем:
При
сообщении термодинамической системе
некоторого количества теплоты Q в общем
случае происходит изменение внутренней
энергии системы DU и
система совершает работу А:
Общая теория относительности
Общая
теория относительности (ОТО), современная
физическая теория пространства, времени
и тяготения; окончательно сформулирована
А. Эйнштейном в 1916. В основе ОТО лежит экспериментальный
факт равенства инерциальной массы (входящей
во второй закон Ньютона) и гравитационной
массы (входящей в закон тяготения) для
любого тела, ведущий к эквивалентности
принципу. Равенство
инерционной и гравитационной масс проявляется
в том, что движение тела в поле тяготения
не зависит от его массы. Это позволяет
ОТО трактовать тяготение как искривление
пространственно-временного континуума.
ОТО является, т. о., построенной на основе относительности
теории теорией
тяготения
Общая
теория относительности
Общая теория относительности
применяется уже ко всем системам
отсчета (а не только к движущимися
с постоянной скоростью друг относительно
друга) и выглядит математически
гораздо сложнее, чем специальная
(чем и объясняется разрыв в
одиннадцать лет между их публикацией).
Она включает в себя как частный
случай специальную теорию относительности
(и, следовательно, законы Ньютона). При
этом общая теория относительности
идёт значительно дальше всех своих
предшественниц. В частности, она
дает новую интерпретацию гравитации.
Общая теория относительности
делает мир четырехмерным: к трем
пространственным измерениям добавляется
время. Все четыре измерения неразрывны,
поэтому речь идет уже не о пространственном
расстоянии между двумя объектами,
как это имеет место в трехмерном
мире, а о пространственно-временных
интервалах между событиями, которые
объединяют их удаленность друг от
друга — как по времени, так и в пространстве.
То есть пространство и время рассматриваются
как четырехмерный пространственно-временной
континуум или, попросту, пространство-время.
В этом континууме наблюдатели, движущиеся
друг относительно друга, могут расходиться
даже во мнении о том, произошли ли два
события одновременно — или одно предшествовало
другому. К счастью для нашего бедного
разума, до нарушения причинно-следственных
связей дело не доходит — то есть существования
систем координат, в которых два события
происходят не одновременно и в разной
последовательности, даже общая теория
относительности не допускает.
Проверить
общую теорию относительности трудно,
поскольку в обычных лабораторных
условиях ее результаты практически
полностью совпадают с тем, что
предсказывает закон всемирного
тяготения Ньютона. Тем не менее
несколько важных экспериментов
были произведены, и их результаты позволяют
считать теорию подтвержденной. Кроме
того, общая теория относительности
помогает объяснить явления, которые
мы наблюдаем в космосе, — например,
незначительные отклонения Меркурия от
стационарной орбиты, необъяснимые с точки
зрения классической механики Ньютона,
или искривление электромагнитного излучения
далеких звезд при его прохождении в непосредственной
близости от Солнца.
На
самом деле результаты, которые предсказывает
общая теория относительности, заметно
отличаются от результатов, предсказанных
законами Ньютона, только при наличии
сверхсильных гравитационных полей. Это
значит, что для полноценной проверки
общей теории относительности нужны
либо сверхточные измерения очень
массивных объектов, либо черные дыры,
к которым никакие наши привычные
интуитивные представления неприменимы.
Так что разработка новых экспериментальных
методов проверки теории относительности
остается одной из важнейших задач
экспериментальной физики.