Явления, вызываемые тепловой энергией, а также явления, связанные с преобразованиями тепловой энергии в другие ее виды, изучаются наукой термодинамикой. Термодинамика зародилась в глубокой древности. Философы древности и ученые эпохи Возрождения полагали, что теплота есть какое-то движение. Какое именно, они не могли еще указать. Той же точки зрения придерживался и Ломоносов. Его работа «Рассуждения о природе тепла и холода» вышла в свет в 1750 году.
В середине XVIII века, однако, взгляды на природу теплоты резко меняются. Выдвигается теория теплорода, или флогистона,— невесомой, неощутимой жидкости, или флюида, который может переливаться из одного тела в другое. Подобное представление о теплоте просуществовало недолго. Уже в конце XVIII века, исследуя нагрев металла при его сверлении, Румфорд высказал сомнение в том, что здесь играет какую-то роль теплород. Сокрушительный удар по теории теплорода нанес Джоуль своими опытами по преобразованию механической энергии в тепловую, которые он проводил в 1847—1878 годах.
Так в рамках термодинамики в XIX веке сформировалось одно из основополагающих утверждений современной науки — закон сохранения энергии, его называют первым началом термодинамики.
Идеальный газ — это скопление идеальных молекул — гладких шариков, не имеющих структуры, не притягивающихся друг к другу, не отталкивающихся друг от друга и идеально упругих как при столкновениях друг с другом, так и при столкновениях со стенками сосуда, в котором газ заключен. Идеальные молекулы, как и реальные молекулы реального газа, находятся в непрерывном движении, и каждая обладает запасом кинетической энергии. Сталкиваясь, они обмениваются энергиями, но сумма кинетических энергий всех молекул может измениться только тогда, когда данный объект отдает или получает энергию извне. Если такого обмена не происходит, т. е. объем с газом изолирован, сумма кинетических энергий всех его молекул остается неизменной в полном соответствии с первым началом термодинамики. Эксперименты показывают, что при обычных температуре и давлении поведение реального газа достаточно точно совпадает с тем, как вел бы себя идеальный газ в аналогичных условиях.
Коли так, сделаем и мы объем с идеальным газом главным героем по крайней мере первой главы этой книги. Как объект изучения идеальный газ очень удобен. А то, что выводы, к которым приходят, размышляя об идеальном газе, в большинстве случаев оказываются близкими к реальности, давно известно.
В 1834 году француз Б. Клапейрон, который долгое время был профессором Петербургского института путей сообщения, вывел свое знаменитое уравнение. Согласно уравнению Клапейрона давление идеального газа, помноженное на занимаемый им объем и поделенное на его абсолютную температуру, есть величина постоянная, зависящая только от количества газа. Уравнение Клапейрона верой и правдой служит до настоящего времени, без него не обходится ни расчет двигателя внутреннего сгорания, ни расчеты домашнего холодильника или компрессора. С него же обычно начинают изучение термодинамики.
Но согласитесь, правильно посчитать, пользуясь готовой формулой, гораздо легче, чем понять. Из уравнения Клапейрона следует, что изменение одной из трех входящих в него переменных величин в общем случае влечет за собой изменение двух остальных. Например, уменьшается объем идеального газа — повышается его давление и увеличивается температура. Так должно быть согласно теории, то же самое наблюдается и в эксперименте. Температура идеального газа пропорциональна средней энергии, приходящейся на одну его молекулу. Увеличивается температура — значит, увеличивается энергия. Но представьте себе, что вы сжимаете в руке теннисный мячик, и скажите, почему при уменьшении объема его температура должна увеличиваться?