Из всего этого хозяйства можно получить дофига закономерностей, законов и так далее. Выделяют основные три, которые оказываются видны сразу, "в лоб" (по мнению умных физиков и математиков). Принцип построения простой: один из трёх параметров остаётся неизменным, и при этом смотрим, как меняются остальные два в зависимости друг от друга. Да, и строят унылые графики, типа игрек от икс равно ка икс плюс бэ, всё в таком духе. Но всё не так плохо: знать, чему равны все эти ка и бэ, не надо - они для каждого случая свои, а все возможные случаи запомнить в принципе невозможно. Важно только одно: знать, как примерно (качественно, не количественно) идут эти графики, и что от чего зависит. Рисовать ничего не буду, потому что кто хочет понять - тот и без рисунков поймёт, а кто не хочет - тот это всё равно пропустит.
Значится, три основных закона. Причём каждый назван ещё и именем, не всегда одним! И каждому ещё соответствует название того, что происходит, тоже умное!
1) Закон Гей-Люссака. Не меняется давление, называется изобарным процессом ("бар" - ещё одна единица измерения давления, это ещё как-то можно запомнить). При этом если меняется температура, то объём меняется по линейному закону в зависимости от неё, то есть V/T = const, как пишут по-умному. Была температура 200 градусов, газ занимал объём 2 кубических метра. Если оставить давление тем же самым (я с трудом себе могу это представить), то при нагреве до 400 градусов газ сам собой расширится до 4 кубических метров. По-умному это будет называться изобарный нагрев, или изобарное расширение. Наоборот - соответственно, изобарное охлаждение или изобарное сжатие.
2) Закон Шарля. Не меняется объём, называется изохорным процессом (по-моему, самое сложное в запоминании; даже я, будучи ботаном, в первый раз узнал о том, что "хор" - это объём, именно на уроке физики об этом). При этом если меняется температура, то давление будет меняться так же по линейному закону в зависимости от неё, то есть p/T = const, если писать по-умному. То есть была температура в 25 градусов - газ давил, например, 100 тысяч паскаль. Охладили баллон с газом (объём остался тот же) до 5 градусов - давление должно снизиться до 20 тысяч. По-умному это будет изохорное охлаждение или изохорный нагрев. (Сжатие-расширение, понятное дело, подразумевают, что объём меняется, а тут он не меняется, поэтому здесь такие слова считаются нецензурными. Кто не понял - это была очередная глупая шутка.)
3) Закон Бойля-Мариотта. Самый противный из всех трёх. Не меняется температура, называется изотермическим процессом ("термо" и температура - вроде бы можно запомнить; например, "термо"с сохраняет температуру одной и той же). В предыдущих двух она же и менялась, поэтому здесь придётся менять что-то другое. Обычно в роли козла отпущения выступает объём - наверное, потому, что его легче померить. С одной стороны всё вообще круто: вся правая часть уравнения Клапейрона-Менделеева получается постоянной - а значит, постоянна должна быть и левая (p*V = const). Так-то оно так, только тогда давление от объёма будет зависеть никак не по прямой, а по гиперболе. И прямую тут, как ни бейся, не получишь. То есть давил газ 100 тысяч паскаль и занимал объём 2 кубических метра. Если оставить его температуру такой же, то при расширении до 4 кубических метров он станет давить уже 50 тысяч паскаль. Это будет изотермическое расширение или изотермическое сжатие.
И вот как это всё запомнить? Я использовал следующий способ. Заранее хочу предупредить: он совсем не политкорректный, и придумывал я его ещё тогда, когда не знал, что гомосексуальность не считается болезнью или чем-то с ней связанным. Кто сможет найти способ запомнить лучше - давайте знать, обмозгуем.
Первое, что запоминается, - закон Гей-Люссака, благодаря первой части фамилии. Ассоциация: гей - трансвестит (не знаю, насколько далёк один от другого, не интересовался). У последнего есть объём (накладные груди). При этом товарищ, поскольку имеет нетрадиционную ориентацию, болен (то есть у него температура). То есть Гей-Люссак - это объём с температурой, а третье - давление - постоянно. Где можно менять температуру - там меняем, и везде, где меняется она, второй параметр меняется по линейному закону. Второй - Бойль-Мариотт, самый сложный, именно поэтому его сумели вывести только два человека: это гипербола, а значит, здесь меняем не температуру. Объём легче померить, поэтому меняем его, и в зависимости от него меняется давление - p(V). График гиперболы, увы и ах, придётся запомнить с математики. Ну и последний - это Шарль, уже методом исключения: остаются давление с температурой, постоянный - объём. Температуру тоже можно менять, значит, здесь тоже давление будет меняться по линейному закону. Как-то так.
Вкратце и поумнее: уравнение Клапейрона-Менделеева описывает состояние идеального газа и связывает три его основных параметра - давление, объём и температуру - между собой. Выведено экспериментальным путём. p*V = m*R*T/M, p - давление газа, V - объём, m - масса, R - универсальная газовая постоянная (R = k*Na = 8.31 Дж/(моль*К)), T - температура, M - молярная масса газа. Три основных закона и изопроцесса, которые вытекают из этого уравнения: закон Шарля, описывающий изохорный процесс (V = const, p/T = const), закон Бойля-Мариотта, описывающий изотермический процесс (T = const, p*V = const), закон Гей-Люссака, описывающий изобарный процесс (p = const, V/T = const).
Всё. Теперь мы окончательно покинули молекулярную часть и перешли в термодинамику. В чём отличие? По сути, обе обожают говорить про тепло и его энергию. Но при этом молекулярная физика рассматривает всё в такой микроскоп, которого при её создании ещё и не было (на уровне отдельных молекул), в то время как термодинамика ударяется в другую крайность - рассматривает огроменные системы тел в целом - начиная от тела, к которому приложен мерящий его температуру градусник, и заканчивая всё той же нашей многострадальной Вселенной. Наверное, единственный отголосок молекулярной части, оставшийся в термодинамике, - это слова в определении одного из самых основных её понятий, - внутренней энергии. Грубо говоря, это сумма кинетических и потенциальных энергий всех молекул системы. То есть это та энергия, которая сама собой вырабатывается внутри того или иного туловища просто потому, что у того есть какая-то не равная нулю температура, вне зависимости от желания оного. При изменении температуры внутренняя энергия тоже меняется - и, соответственно, при неизменной температуре она остаётся точно такой же.
Вообще, термодинамика, как и молекулярная физика, не имеет одной какой-то чёткой задачи - ей просто нужно знать, как и во что будет превращаться тепловая энергия, если её куда-нибудь кому-нибудь дать. То есть здесь больше важна меркантильная составляющая: как драгоценное тепло использовать максимально полезно для себя любимых?
И, раз уж заговорили об энергии, первым делом нужно ткнуть всё тех же себя любимых носом в тот же вездесущий закон сохранения энергии. В термодинамике он ударился головой о тепло и получился в следующем виде: дельтаQ = дельтаU + A. "Дельта" означает "изменение", буквы - следующее: Q - количество теплоты, полученное той или иной системой, U - внутренняя энергия этой системы, A - работа, совершённая системой (если работа совершается над системой, она будет отрицательна).
Теперь придётся уйти чуть-чуть в сторону, чтобы ясно по-русски объяснить, почему эта несчастная энергия сохраняется именно в такой форме. Для примера можно взять, например, металлическую пластинку. Как её можно нагреть? В широком смысле есть всего два способа. Первый - это совершить над ней работу (например, распилить) - практически независимо от того, какая это именно работа (механическая, электрическая, химическая...), она в любом случае, так или иначе, нагреется. Второй способ - это просто передать тепло от чего-нибудь более горячего: огня; другой, более горячей пластинки; просто оставить её греться на солнце. В любом случае оба эти способа ведут к увеличению внутренней энергии нашей пластинки (повышается её температура). Итого получается: то изменение внутренней энергии, которое будет у нашей пластинки (системы), складывается из количества тепла, полученного теплопередачей ("от чего-нибудь более горячего") и совершённой над ней работой (которая здесь будет положительной - она же тоже увеличивает нашу энергию!). И вот если теперь работу перетащить в другую часть уравнения, то получим как раз первый закон термодинамики, причём в нём положительной будет считаться работа, совершённая уже самой системой. Чтобы не запутаться, где какая работа будет с "плюсом" или с "минусом", всегда проще всего включить логику. Тепло не приходит из ниоткуда и не уходит в никуда, часть его обязательно пойдёт на "ненужный" нагрев (если надо, чтобы тело только совершало работу) или на "ненужную" работу (если надо, чтобы тело только грелось).
