Zákony termodynamiky

Proč se víko hrnce při vaření vody chvěje a proč se brambory uvnitř uvaří? Proč spalování benzinu rozhýbe dvoutunové auto? Jak dokáže chladnička ochladit vaše zbytky? Odpověď na každou z těchto na první pohled jednoduchých otázek nás zavede do samého srdce termodynamiky – oblasti teoretické fyziky, která zkoumá přeměny energie.

Všechno, co se ve vesmíru děje – od rozpínání a smršťování plynů po zahřívání a ochlazování kovů – se řídí zákony této disciplíny. V tomto shrnutí budeme sledovat předního fyzika Petera Atkinse, jak krok za krokem vysvětluje fungování nultého, prvního, druhého a třetího zákona termodynamiky. Jeho přístupem je nic nepředpokládat – ani zdánlivě samozřejmé pojmy, jako je teplota. Výsledkem je pevná teoretická stavba, která ukazuje, jak náš svět skutečně funguje.

Dozvíte se mimo jiné, proč parní stroje nikdy nemohou využít veškeré teplo, které vzniká při spalování; co se děje, když ochladíme atomy na nejnižší možnou teplotu; a proč mohou mít krystaly za určitých okolností vyšší entropii než plyny.

Termodynamika se zabývá systémy. Co tím myslíme? Jednoduše cokoliv, co má nějaké hranice. Systémem může být ocelový blok, spalovací motor i lidské tělo. Vše, co leží za hranicemi systému, nazýváme okolím. To může být například lázeň se studenou vodou v laboratoři nebo atmosféra obklopující systém. Systém a jeho okolí dohromady tvoří vesmír.

Systémy mohou mít různé podoby – záleží na povaze jejich hranic. Představte si baňku bez zátky: to je otevřený systém. Když na stejnou baňku nasadíte zátku, vznikne uzavřený systém. A pak existují izolované systémy – takové, které si s okolím nevyměňují ani látku, ani energii. Vakuová baňka je dobrým přiblížením takového systému.

Když máme pojmy ujasněné, můžeme se pustit do prvního konceptu, který budeme pro pochopení termodynamiky potřebovat – do mechanické rovnováhy.

Představte si dva kovové válce vedle sebe. Oba jsou zcela uzavřené, propojuje je pouze vodorovná trubice, která je spojuje jako lávka mezi dvěma budovami. V trubici jsou dva písty spojené tuhým táhlem. Písty mohou táhlo posouvat tam a zpět podle toho, jaký tlak panuje v příslušném válci. Pokud je tlak vpravo vyšší než vlevo, pravý píst tlačí táhlo směrem k levému válci – a naopak. Je to jako přetahovaná lanem, jen se místo tahání tlačí.

Pokud se písty nepohybují, můžeme usoudit, že tlak v obou válcích je stejný. Říkáme, že tyto dva válcové systémy jsou v mechanické rovnováze.

Teď našim dvěma válcům přiřadíme označení A a B a přidáme třetí válec C, abychom zjistili, co se stane. Válcový systém C připojíme k A další trubicí s pohyblivými písty. Předpokládejme, že se ani tyto písty nepohybují – mezi A a C tedy neprobíhá žádná „přetahovaná“. Můžeme tedy usoudit, že tlak v obou systémech je stejný a že A a C jsou v mechanické rovnováze.

Co se ale stane, když C odpojíme od A a místo toho ho připojíme k B? Nestane se nic – ani zde nedojde k žádné přetahované. Pokud jsou C a A v mechanické rovnováze a zároveň A a B v mechanické rovnováze, pak budou v mechanické rovnováze i C a B.

Proč je to důležité? To si ukážeme vzápětí…

Když už víme, co je mechanická rovnováha, můžeme se podívat na první ze zákonů termodynamiky – na nultý zákon. Budeme postupovat stejně jako v předchozí části: bez předběžných předpokladů. Dříve než začneme mluvit o teplotě nebo teple, musíme si pečlivě vybudovat argument.

Zavedeme nový pojem: tepelná (termální) rovnováha.

Vraťme se k našim válcům A a B, ale trochu je upravme. Místo aby byly propojeny trubicí s pohyblivými písty, jednoduše je postavíme těsně vedle sebe tak, aby se jejich stěny dotýkaly. Co se stane? Protože jde o dva různé systémy, můžeme očekávat, že se nějak ovlivní – může se změnit tlak, barva, objem a podobně. Pokud se však neprojeví žádná změna, můžeme usoudit, že válce A a B jsou v tepelné rovnováze.

Teď přidáme třetí válec C. Nejprve ho přiložíme k A a pak k B. Pokud se v prvním případě nic nezmění, víme, že se nic nezmění ani v druhém. Jinými slovy: jestliže jsou A a B v tepelné rovnováze a zároveň A a C v tepelné rovnováze, pak budou v tepelné rovnováze i B a C.

To je nultý zákon termodynamiky.

V této chvíli už můžeme začít mluvit o teplotě. To nám umožní nultý zákon shrnout. V první části jsme zkoumali mechanickou rovnováhu a použili pojem tlaku, abychom ukázali, jak funguje: stejný tlak znamená mechanickou rovnováhu. Nultý zákon nám říká, že musí existovat podobná veličina, která určuje tepelnou rovnováhu. Ještě nevíme, jak přesně funguje, ale můžeme ji pojmenovat: teplota.

Shrnutí nultého zákona pak zní: pokud mají A a B stejnou teplotu a B a C mají stejnou teplotu, pak i A a C budou mít stejnou teplotu.