Тепло – это движение

Рассматривая движение энергии в своем теле и в теле кенгуру, мы имеем дело с термодинамикой. Если разложить это слово на составные части, получается «движение тепла». Так оно и есть, если вспомнить, что тепло является одной из форм энергии. Тепло – это кинетическая энергия движущихся молекул вещества. Нагрейте любой предмет – и его молекулы начнут двигаться быстрее. Термодинамика приобрела особое значение в XIX веке, так как позволила объяснить принцип работы паровых двигателей. С тех пор она стала фундаментальной частью науки.

О значении термодинамики свидетельствует изречение одного из самых великих ученых XX века Артура Эддингтона: «Если кто-то указывает на то, что ваша теория устройства Вселенной противоречит уравнениям Максвелла (описывающим электромагнитные явления), то тем хуже для Максвелла. Если обнаруживается, что она противоречит наблюдениям, то не исключено, что экспериментаторы что-то напутали. Но если ваша теория вступает в противоречие со вторым началом термодинамики, то у вас нет никакой надежды. Вы потерпите крах и будете осмеяны».

Ко второму началу термодинамики, о котором говорит Эддингтон, мы вернемся чуть позже, а пока поговорим об остальных. Как ни парадоксально, но термодинамика начинается с нулевого закона (или начала). Он получил такое название потому, что был сформулирован после первых трех, но фактически является для них основой. Этот закон гласит, что при контакте двух тел, имеющих одинаковую температуру, передачи тепла между ними не происходит. Поскольку тепло представляет собой движение молекул, то передача энергии от одного тела другому и обратно, конечно же, осуществляется, но она взаимно компенсируется и сводится к нулю.

Первое начало термодинамики состоит в том, что в любой изолированной системе запас энергии остается неизменным (закон сохранения энергии). Ее нельзя ни создать, ни уничтожить. Что вложили, то и получите на выходе. Второе начало, о котором говорил Эддингтон, устанавливает, что тепло (то есть энергия) переходит из более нагретого места в менее нагретое. Для полноты картины необходимо упомянуть и о третьем начале, которое гласит, что тело невозможно охладить до абсолютного нуля с помощью конечного числа операций. С каждым шагом вы можете чуть ближе подходить к абсолютному пределу холода, но никогда не сможете его достичь.

Эксперимент: термодинамика в действии

Наполните электрочайник водой, включите его и послушайте (а если чайник прозрачный, то и посмотрите), что будет происходить. В соответствии с нулевым началом термодинамики до включения чайника передачи тепла между нагревательным элементом и водой не происходит, но, как только вы его включите, элемент нагреется с помощью электричества и вскоре его температура станет выше, чем у окружающей воды. Энергия начнет переходить от горячего вещества к холодному (второе начало).

Затем вы услышите легкое шипение, которое постепенно будет становиться все громче. Незадолго до полного закипания наступает тишина, а в самом конце процесса раздается бурление кипящей воды.

Источником шипящего звука являются многочисленные крохотные пузырьки водяного пара, которые, едва образовавшись, вновь схлопываются. Поскольку нагревательный элемент значительно горячее точки кипения, соприкасающаяся с ним вода получает большую порцию энергии и переходит в газообразное состояние, образуя пузырьки. Они перемещаются в слои воды, удаленные от нагревательного элемента и потому значительно более холодные. Там они вновь переходят в жидкое состояние, производя характерный легкий хлопок. Сливаясь, эти звуки от множества схлопывающихся пузырьков и создают знакомое всем шипение. Непосредственно перед закипанием этот звук пропадает, так как практически вся масса воды подходит к температуре кипения и пузырьки больше не образуются.

Затем, когда достигается температура кипения, в воде появляются крупные пузыри водяного пара, причем не только в точке соприкосновения с нагревательным элементом, а по всему объему жидкости. Мы воспринимаем это как бульканье кипящей воды.