Теплоёмкость в термодинамике – это коэффициент пропорциональности между сообщённой телу тепловой энергией и изменением его температуры. Чем выше тёплоемкость, тем больше энергии нужно потратить, чтобы передать "икс" энергии.
У воздуха, к примеру, низкая теплоёмкость, и его можно легко нагреть даже дыханием. У воды теплоёмкость высокая, и для того, чтобы закипятить чайник, нужно сжечь немало топлива.
Но у звёзд всё происходит наоборот: если мы будем "нагревать" звезду, увеличивая её внутреннюю энергию, то температура звезды… уменьшится.
Это всё равно как если вы поставили на плиту чайник, а вода в нём, вместо того, чтобы закипеть - замёрзла!
В реальности конечно звёзды извне никто не нагревает: речь идёт об увеличении или уменьшении процессов в звезде в результате внутренних причин. И тем не менее, факт остаётся фактом.
Вот как это работает.
Равновесие звёзд обусловлено тем, что гравитационные силы, стремящиеся сжать звезду, компенсируются внутренним давлением (как обычным термодинамическим - вызванным движением частиц ионизированного газа, из которого состоит звезда,.. так и лучевым - обусловленным взаимодействием электромагнитного излучения с веществом). Для стационарной звезды эти силы равны, и звезда сохраняет одинаковую температуру и объём на протяжении миллионов лет.
Представим теперь, что вследствие каких-то причин внутренняя энергия звезды увеличилась (скажем, из-за скачка энергоотдачи термоядерных реакций, текущих в её недрах). Давление пропорционально внутренней энергии, а значит, оно увеличится и начнёт превышать гравитационное сжатие. Равновесие звезды нарушится и она начнёт расширяться.
Давление - обратнопропорционально объёму: и по-этому, по мере расширения звезды, оно уменьшается. В определённый момент звезда расширится настолько, что давление и гравитация снова уравновесят друг друга. Установится новое состояние равновесия звезды с большим объёмом (новый момент балансировки).
Но при расширении все газы охлаждаются! И ионизированный газ, из которого сделаны звёзды - не исключение. В результате: новое состояние звезды с большим объёмом будет характеризоваться меньшей температурой - звезда расширится и (!) охладится.
Обратное тоже верно: когда внутренняя энергия звезды уменьшается, она начинает сжиматься и нагреваться. Это происходит, например, при исчерпании запасов ядерного топлива (водорода) в звёздах. Так образуются белые карлики: маленькие, но очень горячие "огарки" свечек звёзд.
С другой стороны - наше Солнце, к примеру, (в ходе такого сжатия) достигнет температуры, при которой сможет запустить реакцию синтеза из следующего элемента таблицы Менделеева – гелия. Эта реакция даёт куда больший энергетический выход, и поэтому внутренняя энергия Солнца увеличится даже до более большего значения, чем была на "водородной" стадии. А из-за механизма отрицательной теплоёмкости Солнце при этом расширится (почти до орбиты Земли) и существенно охладится, став из жёлтой звезды красной.
Всем, пожалуй, известна система двойных звёзд: Сириус. Главный компонент – Сириус А (белая звезда с массой более двух солнечных). Второй компонент – белый карлик Сириус Б (при "жизни" бывший весьма похожим на наше Солнце, но сейчас сжавшийся и разогревшийся настолько, что стал даже горячее своего "большого брата" и потому светит более голубым светом – правда, очень слабо). К парадоксальному факту, что уже потухшая звезда оказывается горячее ещё горящей - приводит именно эффект отрицательной теплоёмкости.
В завершение добавим, что отрицательная теплоёмкость характерна для многих систем, равновесие которых обеспечивается гравитационными силами, включая нашу Солнечную систему, звёздные скопления и даже целые галактики.
