Рис. 4. I. Воздушное «огниво», изобретенное в 1803 г. Трубка Л закрыта с одного конца и снабжена поршнем В. Когда поршень быстро вдавливается, воздух в трубке сильно нагревается. Трут С воспламеняется. II. Современное газовое «огниво». В стальной трубке А может перемещаться стальной поршень B, В трубке находится газ при атмосферном давлении. Когда затвор С открывается, сжатый воздух выходит из сосуда D и сообщает ускорение поршню В. Поршень приобретает скорость в несколько десятков метров в секунду и адиабатически сжимает газ в трубке А. В зависимости от давления воздуха в D газ в трубке А нагревается до 8000 —10 000°Ц, и давление его повышается до 7000 — 10 000 атмосфер.
вают дрова, согревая комнату,— это процесс химической реакции соединения с кислородом. Гигантский взрыв на выброс, за тысячные доли секунды он прокладывает десятки километров нового канала,— это тоже процесс: химическая реакция разложения взрывчатки и последующее расширение образовавшихся при реакции газов. Образование перегретого пара высокого давления в паровом котле, его расширение в турбине, охлаждение в конденсаторе — все это процессы, обеспечивающие работу сверхмощной электростанции.
Окружающая среда
Системы, которые изучает термодинамика, хотя и содержат определенное и постоянное количество вещества, совсем не изолированы от окружающего мира. Чтобы в реакторе химика могла успешно протекать нужная ему реакция, он должен предусмотреть, каким способом будет нагреваться или, наоборот, охлаждаться реакционный аппарат. Пар, расширяясь в цилиндрах паровоза, движет поршень, это движение передается на колеса, и тяжелый состав отправляется в путь. Воздух, нагретый у земной поверхности лучами солнца, поднявшись вверх, расширяется и раздвигает слои атмосферы на большой высоте, где давление понижено: образуется облако.
Термодинамика изучает процессы, в которых система не обменивается веществом с окружающей средой, но может обмениваться теплотой и работой. Такая система называется закрытой. Как предельный случай, система может быть полностью изолирована от окружающего мира и не обмениваться с ним ни веществом, ни работой, ни теплотой.
Наиболее важные процессы
Среди множества разнообразных процессов некоторые, наиболее простые, имеют особо важное значение для термодинамики. Из них здесь необходимо упомянуть два вида термодинамических процессов:
1. Те, которые протекают при постоянной температуре, носят название изотермических. Таких процессов и в природе, и в технике очень много. Изотермически, например, тает лед. Почти все процессы в живом организме протекают при постоянной температуре. Химикам часто удобно осуществлять свои реакции при неизменной температуре.
2. Те процессы, которые протекают без обмена теплом с окружающей средой, называются адиабатическими. Часто адиабатическим путем протекают очень быстрые процессы, когда система не успевает обменяться теплом с окружающей средой.
141