Тепловое равновесие

Понятие "тепловое равновесие" очень часто встречается в теории тепла, и нам необходимо сказать о нем несколько слов перед тем, как мы перейдем к дальнейшему рассказу. Наиболее просто понять, что такое тепловое равновесие, в случае одноатомного газа. Если газ в сосуде ведет себя так, что во всех точках сосуда температура одинаковая,- естественно, что при этом и температура стенок сосуда также всегда одна и та же,- то газ находится в тепловом равновесии. Это значит, что в таком газе тепло не перетекает из одной части сосуда в другую, в нем не меняется ни давление, ни химический состав и вообще с точки зрения классических тепловых явлений в газе "ничего не происходит".

Великим законом природы мы должны считать тот факт, что тепло всегда перетекает от горячего тела к холодному, т. е. что температура соприкасающихся тел стремится выравняться. В механике процессы могут протекать по-разному: маятник может качаться в разных плоскостях, колесо можно вращать в любую сторону. С теплотой дело обстоит по-другому: горячий чайник остывает в комнате сам по себе, но сам по себе он не может нагреться; чтобы охладить холодильник, надо совершить работу. Можно нагреть комнату электрическим камином, нельзя нагреть камин только за счет охлаждения комнаты.

Тепло течет всегда так, чтобы температуры выравнивались, чтобы система переходила в состояние теплового равновесия. Переход в состояние теплового равновесия может быть сложным и достаточно долгим процессом.

Мы говорим, что сосуд теплоизолирован, когда поток тепла сведен к минимуму (так устроен термос). Бывают и более хитрые случаи. В нагретой плазме температура электронов может отличаться от температуры ионов (это как бы смесь газов разной температуры), температура между ними выравнивается сравнительно медленно. Так что в плазме в одном месте могут быть две температуры. Каждая из систем - электроны и ионы - находится в тепловом равновесии: электроны - между собою, ионы - между собою. Поток же тепла между ионами и электронами мал, и поэтому температуры ионов и электронов выравниваются медленно. Мы встретимся с такими потоками, когда будем говорить о Вселенной или о магнитном охлаждении кристаллов.

Сейчас мы подчеркнем еще раз: в природе соприкасающиеся тела стремятся выравнять свои температуры. Если в систему не поступает энергия в виде тепла или в другой форме, то система переходит в состояние теплового равновесия, в котором потоки тепла в конце концов исчезают.

Когда наступает тепловое равновесие, то система "забывает" о своей истории. Доливая в стакан кипяток, мы теряем возможность узнать (без дополнительной информации) какая была температура в стакане и сколько мы долили кипятка. Размешивая ложечкой сахар в стакане, мы не можем заставить сахар выделиться обратно, двигая ложечку в обратном направлении. В стакане произошли необратимые процессы.