Из истории термодинамики

Умов Сергей Из истории термодинамики В XVIII в. теплота представлялась в виде некоторой жидкости, общее количество которой остается в течение различных физических процессов неизменным. Для объяснения целого ряда явлений, и в особенности явления распространения тепла в материальных телах, эта гипотеза оказывалась вполне удовлетворительной. Изящная и классическая теория распространения тепла в пространстве, созданная

Фурье, исходит из соотношения, которое выражает закон сохранения теплоты. Но многочисленные явления, в которых теплота возникает в результате трения, с большим трудом объяснялись в рамках этой гипотезы, и мало-помалу физики от нее отказались и стали рассматривать теплоту не как некую вечную субстанцию, а просто как одну из форм энергии. Действительно, во всех происходящих вокруг нас чисто механических явлениях энергия сохраняется всегда,

за исключением тех случаев, когда в результате трения происходит выделение тепла. Если рассматривать теплоту как одну из форм энергии, то можно выдвинуть некий общий принцип сохранения энергии. Как известно, одного принципа сохранения энергии еще недостаточно для построения термодинамики. К нему необходимо добавить еще принцип Карно, или принцип возрастания энтропии. Впервые этот принцип был выдвинут в 1824 г. Сади,

Карно в заметках о тепловых машинах, где он указал на невозможность полного превращения тепла в работу. Эти соображения Карно легли в основу высказанного несколькими годами позже принципа, который остается справедливым и по настоящий день. Чтобы придать ему математическую форму, Клаузиус ввел понятие энтропии и показал, что энтропия изолированной системы может только возрастать. На основе этих двух фундаментальных принципов была построена термодинамика наука, позволившая объяснить

и предсказать большое число явлений и играющая существенную роль в настоящее время, особенно в теории газов. Это абстрактная наука, оперирующая основном понятиями энергии, заключенной в телах, количествами совершаемой ими работы и тепла, которым они обмениваются. Она не пытается вникать в детальное описание элементарных процессов, а интересуется лишь общими характеристиками систем. Термодинамика оставляет чрезвычайно большую свободу для различных описаний элементарных процессов

и устанавливает лишь общие закономерности, которым должны удовлетворять эти описания. Наука зародилась очень давно, на Древнем Востоке, и затем интенсивно развивалась в Европе. В научных традициях долгое время оставался недостаточно изученным вопрос о взаимоотношениях целого и части. Как стало ясно в середине 20 века часть может преобразовать целое радикальным и неожиданным образом. Из классической термодинамики известно, что изолированные термодинамические системы в соответствии

со вторым началом термодинамики для необратимых процессов энтропия системы S возрастает до тех пор, пока не достигнет своего максимального значения в состоянии термодинамического равновесия. Возрастание энтропии сопровождается потерей информации о системе. Со временем открытия второго закона термодинамики встал вопрос о том, как можно согласовать возрастание со временем энтропии в замкнутых системах с процессами самоорганизации в живой и не живой природе.

Долгое время казалось, что существует противоречие между выводом второго закона термодинамики и выводами эволюционной теории Дарвина, согласно которой в живой природе благодаря принципу отбора непрерывно происходит процесс самоорганизации. Противоречие между вторым началом термодинамики и примерами высокоорганизованного окружающего нас мира было разрешено с появлением более пятидесяти лет назад и последующим естественным развитием нелинейной неравновесной термодинамики. Ее еще называют термодинамикой открытых систем.

Большой вклад в становление этой новой науки внесли И.Р.Пригожин, П.Гленсдорф, Г.Хакен. Бельгийский физик русского происхождения Илья Романович Пригожин за работы в этой области в 1977 году был удостоен Нобелевской премии. Как итог развития нелинейной неравновесной термодинамики появилась совершенно новая научная дисциплина синергетика - наука о самоорганизации и устойчивости структур различных сложных неравновесных

систем физических, химических, биологических и социальных. В 1760-1762 гг шотл. Джозеф Блэк 1728-1799 ввел различие между количеством тепла и температурой, измерил теплоту плавления льда, ввел понятие теплоемкость. В 1848 г. У.Томсон ввел абсолютную шкалу температур. В 1787 г. фр. Жак Александр Цезар Шарль 1746-1823 установил зависимость давления газа от температуры

при постоянном объеме. В 1802 г. фр. Жозеф Луи Гей-Люссак 1778-1850 установил связь давления и объема газа с температурой. В 1824 г. фр. Никола Леонард Сади Карно 1796-1832 опубликовал сочинение Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу. Доказал, что КПД тепловой машины определяется разностью температур нагревателя и холодильника

КПД Т1 - Т2Т1 . Ввел понятие кругового и обратимого процессов, идеального уикла тепловых машин. Его идеи популяризовал в 1834 г. фр. Бенуа Поль Эмиль Клапейрон 1799-1864, изобразив в виде диаграмм в координатах P-V. В 1840 г. рус. Герман Иванович Гесс 1802-1850 открыл основной закон термохимии независимость Q от пути. Установил постоянство теплоты реакции нейтрализации.

В 1840 г. нем. врач Юлиус Роберт Майер 1814-1878 работал судовым врачом на рейсе из Европы на Яву. Он обратил внимание, что венозная кровь в тропиках светлее, чем в Германии, и сделал вывод, что в тропиках для поддержания той же температуры тела нужно меньше кислорода. Следовательно, теплота и работа могут взаимно превращаться. В 1842 г. Майер теоретически оценил механический эквивалент теплоты в 365 кгм соврем.

427 кгм 15. В 1841-1843 г. владелец пивоваренного завода англ. Джеймс Прескотт Джоуль 1818-1889 определил тепловые эквиваленты электрического тока и механической работы. До середины XIX века термодинамические понятия формировались в рамках идеи о носителе теплоты теплороде автор гипотезы Галилей 1613. В 1798 г. получены экспериментальные данные против вещественной теории тепла теплорода амер англ. Бенджамин Румфорд

Томпсон 1753-1814 наблюдал сверление пушек в мюнхенском арсенале и оценил количество выделяющейся при этом теплоты. В то время общество пологало, что одно тело бывает теплее другого потому, что содержит больше теплорода невесомого вещества, создающего ощущение тепла. Считалось также, что теплород нельзя ни создать, ни уничтожить он только переходит от одних тел к другим, вызывая охлаждение первых и нагревание вторых. Однако в 1798 г. министр внутренних дел

Баварии, граф Б.Румфорд проделал опыт, оставивший теорию теплорода лишь в пыли библиотек. В те времена пушки изготавливали так. Из расплавленного металла отливали пушечные стволы, не оставляя внутри них канала для ядер. Его высверливали позже при помощи огромных сверлильных станков, приводившихся в движение лошадьми. Румфорд заметил, что во время сверления стволы очень сильно нагревались. Румфорд предположил, что причина нагревания трение сверла о пушечный ствол, то есть совершение механической

работы. Для проверки этого предположения Румфорд решил увеличить силу трения. Для этого он взял тупое сверло, а пушечный ствол поместил в бочку с водой. Спустя два с половиной часа, к величайшему изумлению свидетелей этого грандиозного опыта, вода закипела Из опыта следовало два вывода либо теплород можно изготавливать в неограниченных количествах и это приведет к переделке всей теории теплорода, либо нагревание тел объясняется совсем иными причинами, а теплорода

не существует вообще. Дальнейшее развитие науки подтвердило правильность именно второго вывода. Опыт Румфорда показал, что при совершении работы силой трения всегда возникает некоторое количество теплоты. Поскольку в то время и работу, и количество теплоты уже умели измерять, то ждали своих ответов несколько вопросов. Первый. Если совершать по 1 Дж работы над различными веществами например, сталью, медью, водой и т.д то одинаковое ли количество теплоты выделяется при этом

Второй вопрос. Если одинаковое то сколько именно Если же разное, то от каких причин это зависит Были и другие вопросы. Поэтому для дальнейшего развития теории тепловых явлений потребовались новые экспериментальные данные. Спустя полвека на арену научной деятельности выходит соотечественник Румфорда, манчестерский пивовар Д.Джоуль. Его экспериментальной установкой стал калориметр с погруженной в него мешалкой, которая приводилась во вращение опускавшейся гирей см. рисунок.

Трение лопастей мешалки о воду или ртуть, которыми заполнялся калориметр, приводило к их нагреванию. Сила тяжести, опускавшая гирю, совершала над ней работу A Fтяж Ч l mg Ч h. Возникавшее при трении количество теплоты подсчитывали по основной калориметрической формуле Qcmt2 t1. Опыт многократно повторяли при различных условиях изменяли количество воды, заменяли ее ртутью, меняли массу гири, высоту ее поднятия, диаметр валика, с которого сматывалась нить и т.д.

В XIX веке количество теплоты и работу измеряли не джоулями, как сегодня, а другими единицами. Несмотря на это, вывод Джоуля остается справедливым при любых явлениях, в ходе которых механическая работа полностью превращается в теплоту, совершение 1 Дж работы всегда приводит к возникновению именно 1 Дж теплоты. Этот вывод лег в основу термодинамики новой теории тепловых явлений.

С тех пор она существенно расширилась и превратилась в теорию о взаимопревращениях работы, теплоты и энергии вообще химической, электрической, ядерной и т.д. В таком виде термодинамика существует и по сей день. В 1880-1884 гг голл. Якоб Хендрик Вант-Гофф 1852-1911 изучил зависимость скорости хим. реакций от температуры. В 1889 г швед Сванте Август Аррениус 1859-1927 ввел понятие энергии активации.

В 1931 г. англ. Ральф Говард Фаулер 1889-1944 сформулировал нулевой закон термодинамики. Нулевое начало термодинамики сформулированное всего около 50 лет назад , по существу представляет собой полученное задним числом логическое оправдание для введения понятия температуры физических тел . Температура - одно из самых глубоких понятий термодинамики . Температура играет столь же важную роль в термодинамике , как , например процессы.

Впервые центральное место в физике занял совершенно абстрактное понятие оно пришло на смену введенному еще во времена Ньютона 17 век понятию силы - на первый взгляд более конкретному и осязаемому и к тому же успешно математезированному Ньютоном. Первое начало термодинамики устанавливает внутренняя энергия системы является однозначная функция ее состояния и изменяется только под влиянием внешних воздействий. В 1850 году Кельвином и Клаузиусом был сформулирован второй закон термодинамики

Все внутренние параметры равновесной системы являются функциями внешних параметров и температур