История и развитие термодинамики

история создания термодинамики — termodinamikaVM.ru

История и развитие термодинамики
Термодина́мика — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. Термодинамика — это феноменологическая наука, опирающаяся на обобщения опытных фактов.

Она изучает макроскопические системы, состоящие из огромного числа частиц —термодинамические системы. Процессы, происходящие в таких системах, описываются макроскопическими величинами, такими как давление или температура, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

Люди способны непосредственно ощущать холод и тепло, и интуитивное представление о температуре как степени нагретости тел возникло задолго до того, как возникли соответствующие научные понятия.

Развитие научного знания о теплоте началось вместе с изобретением прибора, способного измерять температуру — термометра. Считается, что первые термометры сделал Галилей в конце 16 века.

Термодинамика возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Первые паровые машины появились во второй половине 18 века и ознаменовали наступление промышленной революции.

Учёные и инженеры стали искать способы увеличить их эффективность, и в 1824 году Сади Карно в сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» установил максимальный коэффициент полезного действия тепловых машин.

Термодинамика как наука ведёт свое начало с этой работы, которая долгое время оставалась неизвестной современникам.

В 40-х годах 19 века Майер и Джоуль количественно определили связь между механической работой и теплотой и сформулировали универсальный закон сохранения и превращения энергии.

В 50-е годы Клаузиус и Кельвин систематизировали накопленные к тому времени знания и ввели понятия энтропии и абсолютной температуры.

В конце 19 века феноменологическая термодинамика была развита в работах Гиббса, который создал метод термодинамических потенциалов, исследовал общие условия термодинамического равновесия, установил законы равновесия фаз и капиллярных явлений.

В 1906 году Нернст опубликовал работу, в которой была сформулирована теорема, впоследствии получившая его имя и известная как третье начало термодинамики.Аксиоматические основы термодинамики были в строгой форме впервые сформулированы в трудах Каратеодори в 1909 году.

Современную феноменологическую термодинамику принято делить на равновесную (или классическую) термодинамику, изучающую равновесные термодинамические системы и процессы в таких системах, и неравновесную термодинамику, изучающую неравновесные процессы в системах, в которых отклонение от термодинамического равновесия относительно невелико и ещё допускает термодинамическое описание.

В равновесной термодинамике вводятся такие переменные, как внутренняя энергия, температура, энтропия, химический потенциал. Все они носят название термодинамических параметров (величин).

Классическая термодинамика изучает связи термодинамических параметров между собой и с физическими величинами, вводимыми в рассмотрение в других разделах физики, например, с гравитационным или электромагнитным полем, действующим на систему. Химические реакции и фазовые переходы также входят в предмет изучения классической термодинамики.

Однако изучение термодинамических систем, в которых существенную роль играют химические превращения, составляет предмет химической термодинамики, а техническими приложениями занимается теплотехника.

В системах, не находящихся в состоянии термодинамического равновесия, например, в движущемся газе, может применяться приближение локального равновесия, в котором считается, что соотношения равновесной термодинамики выполняются локально в каждой точке системы.

Однако в неравновесной термодинамике переменные рассматриваются как локальные не только в пространстве, но и во времени, то есть в её формулы время может входить в явном виде.

Отметим, что посвящённая вопросам теплопроводности классическая работа Фурье «Аналитическая теория тепла» (1822) опередила не только появление неравновесной термодинамики, но и работу Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824), которую принято считать точкой отсчёта в истории классической термодинамики.

Классическая термодинамика включает в себя следующие разделы:

Кроме этого, современная термодинамика включает также следующие направления:

  • строгая математическая формулировка термодинамики на основе выпуклого анализа
  • неэкстенсивная термодинамика
  • применение термодинамики к нестандартным системам

Источник: https://www.sites.google.com/site/stepafterstepru/princip-dejstvia-teplovogo-dvizenia/home/istoria-sozdania-termodinamiki-1

История и развитие термодинамики

История и развитие термодинамики

История становления и внедрения в науку закона сохранения и превращения внутренней энергии способствует развитию сразу двух абсолютно различных, но взаимно дополняющих друг друга способов исследования тепловых процессов и свойств макросистем: термодинамического, который и является основой термодинамики, и статистического, стал следующим этапом развитием кинетической теории физического вещества и заложил базу молекулярной физики.

Рисунок 1. Развитие термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Определение 1

Термодинамика — обширная наука о тепловых явлениях, в которых никогда не учитывается молекулярное строение рабочих тел.

Основы термодинамического метода за достаточно короткий период времени определяли состояние физики, а также систем, которые выступали в качестве звена для макроскопических элементов, взаимодействующих и обменивающихся энергией с внешней средой.

Стоит отметить, что первую более детализированную формулировку закона сохранения сил предоставили немецкий физик-теоретик Рудольф Кладдиус, и английский исследователь Уильям Томсон.

Значительный вклад в развитие термодинамических начал также внесли английский ученый Джеймс Максвелл и австрийский изобретатель Людвиг Больцман. В результате научных работ было определено, что теплота и объем представляют собой форму энергии.

Вскоре принцип теплорода был успешно заменен гораздо более глубокой гипотезой сохранения тепловой энергии.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Замечание 1

Состояние любой макросистемы изначально задается термодинамическими показателями, характеризующими ее основные свойства.

Обычно ключевыми критериями в термодинамике выступают:

  • температура физического тела;
  • давление со стороны внешней среды;
  • удельный объем.

В термодинамике тепловые процессы описываются посредством величин, регистрируемых специальными приборами, не реагирующими на влияние отдельных молекул. Все термодинамические законы относятся к таким объектам, количество молекул которых огромно.

Три этапа развития термодинамики

В развитии термодинамики в XIX веке ученые выделяют три периода, каждый из которых имел свои отличительные свойства:

  • Первый период. Этот этап в становлении термодинамики напрямую связан с именем Карно, который в 1824 году в работе «Размышления о движущей и нестабильной силе огня» по существу сформулировал первое и второе термодинамические начала.
  • Второй период приблизительно продолжился до середины XIX столетия и выделяется научными трудами выдающихся физиков Европы таких, как англичанин Дж. Джоуль, немецкий исследователь Готлиб, известный под псевдонимом Р. Клаузиус и У. Томсон. Этих же идей и теорий в конце XVIII веке придерживался русский исследователь М.В. Ломоносов.
  • Третье поколение термодинамики открывает известный австрийский ученый и член Санкт-Петербургской Академии Наук Людвиг Больцман, которые с помощью многочисленных экспериментов установили взаимосвязь механической и тепловой формы движения, доказав, что в основе теплоты в первую очередь лежит механическое движение молекул и атомов.

Далее развитие термодинамики не стояло на месте, а продвигалось ускоренными темпами. Так, американец Гиббс создал в 1897 году химическую термодинамику, то есть сделал физическую химию абсолютно дедуктивной наукой.

Этот изобретатель ввел в науку понятие свободной энергии, демонстрирующей, какое количество внутренней энергии возможно получить в результате действия химической реакции.

Немецкий естествоиспытатель, Герман Гельмгольц связал также свои опыты с оптикой, электродинамикой, теплотой и гидродинамикой.

Закон сохранения энергии как основной этап в развитии термодинамике

Рисунок 2. Закон сохранения энергии. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Во второй четверти 19 столетие в развитии физики тепловых процессов был введен закон сохранения и превращения энергии. Всё большее внимание исследователи начали уделять изучению физических процессов превращения теплоты в работу, появлялись и развивались идеи о трансформации сил природы в иные вещества.

Исследованием законом сохранения и эквивалентности теплоты занимались такие физики как Майер, Джоуль, Ленц. Майер, которые установили, что пришли коэффициенты теплоты и работы системы функционируют независимо друг от друга.

Когда было признано, что теплота представляет собой систематическое движение, науке нужно было тщательно рассмотреть характер этого явления.

В ходе решения поставленной проблемы начала стремительно развиваться кинетическая теория идеальных газов, далее эта гипотеза превратилась в новую сферу физической науки — статистическую физику.

Дальнейшее становление кинетической теории теплоты и термодинамики напрямую связано с именем выдающегося австрийского физика Л. Больцмана.

Исследователь привел модернизированный вариант доказательства закона распределения скоростей молекул химических веществ, также вывел формулу для идеального газа и первым экспериментально доказал Н-теорему, согласно которой любой элемент, находящийся в нестационарном состоянии, постепенно со временем переходит в состояние термодинамического равновесия. Свое учение Больцман истолковал как факт наличия статистического характера второго начала термодинамики.

Тепловая смерть Вселенной

Ещё одним важным и обсуждаемым вопросом, непосредственно связанным с развитием термодинамики, были рассуждения ученых на тему о тепловой смерти вселенной. Клаузиус и Томсон уверяли, что второй термодинамический закон возможно распространить абсолютно в любом пространстве и пришли к выводу о её тепловой смерти.

Многие физики не соглашались с их точкой зрения. Согласно данному предположению, рассеяние теплоты в окружающей среде с течением времени автоматически приведет к тому, что все физические тела Вселенной окажутся в состоянии термодинамического равновесия.

В результате, температура всех веществ станет одинаковой, поэтому другие виды энергии из уже имеющихся получить не удастся.

Концепция «тепловой смерти» имеет физический и философский смысл. Нелепые выводы относительно «непродолжительной жизни» Вселенной, конечно же, одобрили жрецы религии, так как библейская легенда о возникновении мира и о его конце однозначно получила научное подтверждение. Теорию «тепловой смерти» также подхватили философы идеалистического толка и теологи.

Несмотря на многочисленные осуждения, попытки материалистически мыслящих физиков обнаружить ошибку в идеях Томсона и Клаузиуса долго не удавалось. Первым ученым, кто окончательно разрешил вопрос о «тепловой смерти», был австрийский изобретатель Л. Больцман. Создавая статистическую трактовку ключевых положений термодинамики, он констатировал, что результаты коллег неверны.

И причин этому он назвал сразу несколько:

  • во-первых, нельзя считать справедливым мнение о том, что Вселенная представляет собой только изолированную систему;
  • во-вторых, второе термодинамическое начало вследствие своего статистического характера возможно применить только к большому количеству однородных объектов, поэтому энтропия может уменьшаться в нескольких молекулах;
  • в-третьих, законы термодинамики и их статистическая интерпретация, разработано для молекул, а Вселенная представляет собой другие тела — звезды, планеты, звездные скопления, галактики, следовательно, переносить закономерности мира молекул на иные объекты, составляющие Вселенную, совершенно необоснованным.

Полученные Томсоном и Клаузиусом результаты противоречат первому началу термодинамики, в котором утверждается невозможность уничтожения движения, в количественном и качественном аспекте. Концепция «тепловой смерти» Вселенной, созданная физиками, ими же была вскоре и похоронена.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/termodinamika/istoriya_i_razvitie_termodinamiki/

История термодинамики — Знаешь как

История и развитие термодинамики

Если в XVIII в. в физике (за исключением механики) господствовал эксперимент, так что физику определяли как науку «о всем том, что через опыты познать можно», то в XIX в. картина начинает меняться.

Экспериментальная физика продолжает господствовать над теоретической, и редактор ведущего физического журнала «Annalen der Physik» Поггендорф, будучи сам экспериментатором, тщательно заботится о том, чтобы на страницы журнала не попала «метафизика».

Но уже волновая оптика Юнга и Френеля представляла собой, кроме совокупности изящных и остроумных опытов, стройную теоретическую систему, позволившую Гамильтону предсказать тонкое, трудно наблюдаемое явление конической рефракции.

Электростатика и магнитостатика в руках Гаусса и Грина развивались по образцу ньютоновской теории тяготения, и ее основные результаты и поныне входят в курсы теоретической физики. Электродинамика Ампера позволяла надеяться, что аналогичная математическая теория будет разработана и для электромагнетизма. Но великие открытия Фарадея спутали все карты, и, хотя поиски обобщающего закона не прекращались, в электродинамике до Максвелла господствовал идейный разброд.

Труднее всего поддавались теоретической обработке тепловые явления. Здесь еще шло накопление эмпирических фактов, разрабатывались методы определения тепловых характеристик: коэффициентов расширения, теплопроводности, удельных теплоемкостей.

Эти измерения нужны были и для бурно развивающейся теплотехники. «Его величество пар» работал на фабриках изаводах, на железных дорогах, на морских и речных путях.

Паровая машина была основным и единственным двигателем бурно развивающейся капиталистической индустрии.

Правительство капиталистической Франции сочло необходимым субсидировать исследования Анри Виктора Реньо (1310— 1878), предпринятые «с целью определить числовые данные, важные в теории паровой машины». «Большие средства, представленные в распоряжение Реньо,— писал А. Г. Столетов,— позволили ему не стесняться ни помещением, ни размерами аппаратов.

Целые фабрики с научной целью воздвиглись сперва в College de France, потом на Севрском фарфоровом заводе (которого Реньо был директором)». Методы тепловых измерений, предложенные Реньо, переносились в научные и учебные лаборатории высших учебных заведений, и еще в XX в.

почти все физические практикумы университетов по теплоте были поставлены «по Реньо».

Исследования Реньо начали публиковаться в конце 30-х годов XIX в. В 1847 г. вышел первый том его «Сообщений об опытах предприятий по распоряжению министров общественных работ». Лаборатория Реньо вместе с его последними трудами была уничтожена немцами при взятии Парижа в 1870 г.

Реньо был ярким представителем экспериментального направления в физике XIX в. А. Г.

Столетов совершенно точно характеризовал его: «Реньо не проводил новых идей в науке, если не считать того скептицизма, с которым он относился к слишком ранним обобщениям фактов и обличал неточность положений, до тех пор принимавшихся за непреложные законы.

Новые идеи, как например механическая теория теплоты, проникли в науку помимо Реньо, можно сказать, вопреки ему: он не вдруг в них уверовал. Он считал себя работником, собирателем материалов, измерителем, и в этом смысле он не имеет себе подобного».

Эта очень важная характеристика, данная Столетовым, может быть приложена не к одному Реньо, а ко многим, даже подавляющему большинству физиков первой половины XIX в.

Таким был, например, уже упоминавшийся Иоганн Христиан Поггендорф, внесший определенный вклад в развитие электрических измерений. Таким был и Генрих Густав Магнус (1802—1870), открывший известный «эффект Магнуса».

Физики этой школы, как справедливо указывал Столетов, настороженно и недоверчиво относились к новым теоретическим обобщениям, и рождение термодинамики было трудным.

В общей обстановке эмпиризма лишь два исследования теоретического характера, выполненные в первой четверти столетия, стоят особняком. Первое исследование носило математический характер и оказало существенное влияние на развитие математической физики.

Оно было выполнено французским математиком Жан Батистом Жозефом Фурье (1768—1830). Его работа «Аналитическая теория тепла» содержала математическую теорию теплопроводности, которой Фурье занимался начиная с 1807 г.

Фурье вывел дифференциальное уравнение теплопроводности и разработал методы его интегрирования при заданных краевых условиях для некоторых частных случаев. В своей математической теории Фурье применил разложение функций в тригонометрический ряд (ряд Фурье).

Возникшая в математике дискуссия по этому по-, воду оказалась плодотворной, и в математическую физику прочно вошли ряды и интеграл Фурье.

Фурье рассматривал теплоту как некоторую жидкость (теплород). Большего ему не требовалось, и его теория казалась одним из достижений теории теплорода. Эту же теорию разделял и другой замечательный ученый, военный инженер Сади Карно (1796—1832).

Сади Никола Леонард Карно был старшим сыном знаменитого «организатора победы» французской революции Лазаря Карно. Сади родился 1 июня 1796 г. В 1812 г. он поступил в Политехническую школу и окончил ее военным инженером в 1816 г. Наполеон к этому времени был разгромлен и сослан на остров Святой Елены.

Отец Сади был осужден, и военная карьера самого Карно была сомнительной. Спустя три года после окончания школы он сдал экзамен и с чином поручика перешел в главный штаб, занимаясь главным образом наукой, музыкой и спортом. В 1824 г. был издан его главный труд «Размышления о движущей силе огня».

 Через четыре года Карно вышел в отставку в чине капитана. Умер он 24 августа 1832 г. от холеры.

«Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» начинаются с характеристик огромной движущей силы тепла. «Развивать эту силу и приспособлять ее для наших нужд — такова цель тепловых машин»,— пишет Карно.

Он характеризует быстрое развитие тепловых машин и предсказывает им большое будущее: «Если когда-нибудь,— говорит Карно, — улучшения тепловой машины пойдут настолько далеко, что сделают дешевой ее установку и использование, то она соединит в себе все желательные качества и будет играть в промышленности роль, всю величину которой трудно предвидеть, ибо она не только заменит имеющиеся теперь в употреблении двигатели удобным и мощным двигателем, который можно повсюду перенести и поставить, но и даст тем производствам, к которым будет применена, быстрое развитие и может даже создать новые производства». Предвидение Карно блестяще оправдалось. Двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины получили широкое развитие, создали новые производства: авиационное и автомобильное. Новые двигатели второй половины XX в. — ракеты — создали сверхскоростной воздушный транспорт и вывели человечество в космос.

«Движущая сила тепла» в наши дни играет огромную роль. Но во времена Карно она только начинала свой путь как малоэкономичная паровая машина.

Хотя со времен Северн и Ньюкомена прошло более столетия и паровая машина прочно утвердилась в промышленности, сущность ее работы оставалась неясной, «явление получения движения из тепла не было рассмотрено с достаточно общей точки зрения», как отмечал Карно.

Карно видит ненормальность случайных эмпирических усовершенствований паровых машинной хочет дать теоретические основы теплотехники. В этом огромное историческое значение работы Карно, выходящее далеко за рамки специального исследования. Характерно, что он в своем труде не ограничивается существующими паровыми машинами, а говорит о тепловом двигателе вообще.

«Чтобы рассмотреть принцип получения движения из тепла во всей его полноте,— пишет Карно,— надо его изучить независимо от какого либо механизма, какого либо определенного агента; надо провести рассуждения, приложимые не только к паровым машинам, но и ко всем мыслимым тепловым машинам, каково бы ни было вещество, пущенное в дел и каким бы образом ни производи лось воздействие» (подчеркнуто мною.— П. К.).

Так, отправляясь от конкретной задачи, подсказанной практикой, Карно формулирует абстрактный, общий метод ее решения — термодинамический метод.

Сочинение Карно явилось началом термодинамики. Карно ввел в термодинамику метод циклов. Цикл Карно описывается сегодня во всех учебниках физики. В них он сопровождается диаграммой процесса и расчетами для идеального газа, которых нет у Карно. Диаграмма и расчеты были даны в 1834 г. Клапейроном, который повторил работу Карно.

Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (1799— 1864), французский академик и инженер, был в 1820—1830 гг. профессором Петербургского института инженеров путей сообщения. В 1834 г. он дал общеупотребительную форму трактовки цикла Карно и объединенное уравнение газового состояния. Ему же принадлежит вывод зависимости точки плавления от температуры (уравнение Клапейрона — Клаузиуса) .

Карно в своем исследовании придерживается еще теории теплорода. Он рассматривает работу тепловой машины как результат перепада теплорода с высшего уровня на низшие. «Возникновение движущей силы,— пишет Карно,— обязано в паровых машинах не действительной трате теплорода, а его переходу от горячего тела к холодному…»

Общий вывод Карно формулирует следующим образом: «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития], ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми, в конечном счете, происходит перенос теплорода».

В наше время этот вывод Карно формулируется иначе: коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины не зависит от рабочего вещества, а зависит лишь от температуры нагревателя и холодильника.

Вывод этот вошел в термодинамику в качестве фундаментального принципа, а сама работа Карно, изложенная Клапейроном и напечатанная в 1843 г. на немецком языке в «Анналах» Поггендорфа, послужила исходным пунктом для исследований В. Томсона и Р. Клаузиуса, приведших к открытию второго начала термодинамики.

Хотя Карно в своей работе опирался на неверную теорию теплорода, его глубокий ум скоро почувствовал недостатки этой теории. Карно сделал следующее примечание к своей работе: «Основные положения, на которые опирается теория тепла, требуют внимательного исследования. Некоторые данные опыта представляются необъяснимыми при современном состоянии теории».

В своем дневнике, выдержки из которого были опубликованы его братом после смерти Карно, он пишет: «Тепло не что иное, как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел; повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы.

Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила.

Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает».

Если заменить слова «движущая сила» словом «энергия», то мы получим законченную формулировку закона сохранения энергии. В последней формуле Карно дает значение механического эквивалента тепла. Оно равно 370 кГм на 1 ккал, т. е. имеет правильный порядок величины.

Таким образом, уже к 30-м годам XIX в. настало время для возвращения к идеям Ломоносова относительно теплоты. К сожалению, имя Ломоносова к тому времени на Западе было основательно забыто, и основоположники механической теории тепла создавали ее заново.

Статья на тему История термодинамики

Источник: https://znaesh-kak.com/e/f/%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F-%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B8

История становления и развития термодинамики как науки

История и развитие термодинамики

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

Физико-технологический факультет

Кафедра «Материаловедение и товарная экспертиза»

РЕФЕРАТ

по дисциплине:

 « История науки и техники»

на тему:

История становления и развития термодинамики как науки

Выполнил: студент 3-Фт-9     Проверил: доцент

_________ Калинина В.Ю.                                      _________ Тигранова

     (подпись)                      (подпись)

«___»__________20__г.     «___»__________20__г.

Самара 2011г

Введение………………………………………………………………………………………….3

Раздел 1. Становление термодинамики…………………………………………………………4

Раздел 2. Развитие термодинамики.

 Формирование представлений о превращении энергии………………………………………5

2.1.  Первый закон термодинамики……………………………………………………..7

2.2. Второй закон термодинамики………………………………………………………8

2.3. Третий закон термодинамики……………………………………………………..10

Заключение………………………………………………………………………………………12

Определения и обозначения……………………………………………………………………14

Именной указатель……………………………………………………………………………..16

Приложения……………………………………………………………………………………..17

Основные формулы термодинамики………………………………………………………….19

Список использованных источников…………………………………………………………21

Введение

Современная термодинамика занимает особое место в естествознании, в частности является теоретической основой всей современной энергетики.

 Теплоэнергетика, все типы двигателей, начиная от паровых турбин и кончая авиационными и ракетными двигателями, в своей теории полностью базируются на положениях термодинамики. Многие области деятельности человека опираются на положения термодинамики.

 Термодинамика возникла и стала быстро развиваться благодаря бурному развитию теплотехники в конце ХVIII и начале XIX веков.

 Исторически термодинамика возникла в результате требований, предъявляемых к физике со стороны теплотехники в связи с практической необходимостью найти теоретические основы для создания тепловых машин, в частности тепловых двигателей, определения путей повышения их мощности и экономичности.

Термодинамика представляет собой единое, логически построенное учение, базирующееся на основных принципах, которые принято называть началами или законами термодинамики. Эти законы представляют собой эмпирически найденные положения, которые не выводятся из других законов.

Термодинамика является научным фундаментом, основой, на которой строится современная инженерная теория тепловых двигателей, в том числе авиационных двигателей, ракетных двигателей и энергетических систем.

Современные тепловые расчеты всех двигателей целиком основываются на положениях технической термодинамики и дают возможность определить основные параметры и экономичность различных типов тепловых двигателей.

 В связи с определяющей ролью энергетики в развитии народного хозяйства нашей страны в настоящее время термодинамическая наука становится одной из важнейших производительных сил, это требует ее непрерывного развития, совершенствования, уточнения ее методов, изыскания новых путей повышения интенсивности и экономичности двигателей и энергетических установок. 

Раздел 1. Становление термодинамики

В XVIII веке считалось, что одно тело 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.

Он предположил, что причина нагревания – трение сверла о пушечный ствол, то есть совершение механической работы.

Для проверки этой гипотезы (предположения) ствол был помещен в бочку с водой, а для увеличения силы трения использовалось тупое сверло, приводимое во вращение парой лошадей мюнхенского цейхгауза. Спустя два с половиной часа, к величайшему изумлению свидетелей этого грандиозного опыта, вода в бочке закипела! ( см. прил. А.1)

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.

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 возникали несколько вопросов. Первый.

Если совершать по 1 Дж работы над различными веществами (например, сталью, медью, водой и т.д.) 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. прил. А.2). Трение лопастей мешалки о воду или ртуть, которыми заполнялся калориметр, приводило к их нагреванию.

Сила тяжести, опускавшая гирю, совершала над ней работу A = Fтl = mgh. Возникавшее при трении количество теплоты подсчитывали по основной калориметрической формуле: Q=cmDt. Опыт 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.

Заметим, что в XIX веке и работу, и количество теплоты измеряли не «джоулями», как сегодня, а другими единицами.

Несмотря на это, вывод Джоуля остается справедливым: при различных явлениях, в которых совершается работа и выделяется теплота, совершение 1 Дж работы всегда приводит к возникновению 1 Дж теплоты. Этот фундаментальный вывод лег в основу термодинамики – новой теории тепловых явлений.

С тех пор она существенно расширилась и превратилась в теорию о превращениях работы, теплоты и энергии вообще – химической, электрической, ядерной и т.д. В таком виде термодинамика существует и по сей день.

Раздел 2. Развитие термодинамики. Формирование представлений о превращении энергии

До возникновения термодинамики понятие времени по существу отсутствовало в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и имеющих свою историю.

Хотя в качестве переменной время входит во все уравнения классической и квантовой механики, тем не менее, оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е.

относить его как будущему, так и к прошлому.

Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике.

Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена была исследовать физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии.

Однако она не анализирует внутреннее строение термодинамических систем, как это делает статистическая физика, рассматривающая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Самым очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс.

Хорошо известно, например, что тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы.

Не менее известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот [1, 14].

Термодинамика рассматривает системы, между которыми возможен обмен энергией, без учета микроскопического строения тел, составляющих систему, и характеристик отдельных частиц. Различают термодинамику равновесных систем или систем, переходящих к равновесию (классическая, или равновесная термодинамика) и неравновесных систем (неравновесная термодинамика).

Классическая термодинамика чаще всего называется просто термодинамикой и именно она составляет основу так называемой Термодинамической Картины Мира (ТКМ), которая сформировалась к середине 19 в. Неравновесная термодинамика получила развитие во второй половине 20-го века и играет особую роль при рассмотрении биологических систем и феномена жизни в целом.

Таким образом, при исследовании тепловых явлений выделились два научных направления:

1. Термодинамика, изучающая тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества;

2. Молекулярно-кинетическая теория (развитие кинетической теории вещества в противовес теории теплорода) [1, 19].

В 18 в. были изобретены паровые насосы, а затем паровые машины. В начале 19 века появились пароходы, началось строительство железных дорог. Широкое применение пара выдвинуло на первый план исследования тепловых явлений, поиск путей повышения эффективности паровых машин.

Возникла и стала быстро развиваться термодинамика. Процесс ее развития был фактически процессом интеграции знаний.

Если в начале века только что родившаяся термодинамика выступала как механическая теория теплоты, то на склоне века она представляла собой весьма общую теорию, выходящую собственно за рамки тепловых явлений, прикладываемую ко всем физическим и химическим процессам, происходящим в веществе, в различных системах. Важным достижением на пути этого процесса интеграции знаний было открытие фундаментального закона природы — закона сохранения и превращения энергии.

Основатель термодинамики С. Карно в своем труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способах развивать эту силу» пишет: «Тепло — это не что иное, как движущая сила, или вернее движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тел.

Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве, она никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызывает то один род движения, то другой …

» Чтобы усмотреть здесь закон сохранения и превращения энергии — достаточно вместо «движущей силы» поставить «энергию» (термин «энергия» был введен еще Юнгом в 1807 г., но прижился не сразу; под «энергией» Юнг понимал произведение массы тела на квадрат его скорости).

Открытие закона сохранения и превращения энергии обычно связывают с именами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца. Второе начало термодинамики как некоторое эмпирическое правило было впервые сформулировано в 1850 г. Р. Клаузиусом и в 1851 У.Томсоном (Клаузиус ввел понятия внутренней энергии, а также величины, названной «энтропией») [1, 23]. 

2.1.  Первый закон термодинамики

На рис. 1( см. прил. Б) условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами.

Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.

Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, то есть изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем).

Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами

ΔU = Q – A (см. таблицу 1)

2.2. Второй закон термодинамики

На современном научном языке второе начало термодинамики звучит так: В необратимых процессах полная энтропия системы всегда возрастает. Клаузиус и Томсон пришли к фундаментальному выводу, относящемуся к Вселенной в целом. В действительности обратимых процессов не бывает.

Любое механическое движение происходит с хотя бы с малой долей превращения механической энергии в тепловую — выделяемую при трении. Рано или поздно все движущиеся тела остановятся, наступит равновесие, отвечающее максимальной энтропии. Томсон заключил, что «миру грозит тепловая смерть». И в то же время «энергия мира остается неизменной».

Второй закон термодинамики называют законом возрастания энтропии.

Источник: https://student.zoomru.ru/fiz/istoriya-stanovleniya-i-razvitiya-termodinamiki/152737.1181568.s1.html

Начала термодинамики : история и анализ

История и развитие термодинамики

Термодинамическая концепция времени и альтернативные концепции времени: анализ

Первое начало термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии в изолированной системе, утверждение существования внутренней энергии, поэтому его называют принципом энергии. 

1-ое начало ТД утверждает баланс энергии и работы. Его роль можно сравнить с ролью «бухгалтера» при взаимопревращения различных видов энергии друг в друга.

Если процесс циклический, система возвращается в исходное состояние, и все подведенное тепло идет на совершение внешней работы. Если при этом и Q=0, то и А=0, т.е.

невозможен процесс, единственным результатом которого является производство работы без каких-либо изменений в других телах, т.е. работа «вечного двигателя».

Майер в своей работе составил таблицу всех рассмотренных им “сил” (энергий) природы и привел 25 случаев их превращений (тепло — механическая работа — электричество, химическая «сила» вещества — теплота). Майер распространил положение о сохранении и превращении энергии и на живые организмы (поглощение пищи — химические процессы — тепловые и механические эффекты).

Эти примеры впоследствии были подкреплены работами Гесса (1840 г.), в которых исследовалось превращение хим. энергии в теплоту, а также Фарадея, Ленца и Джоуля, в результате которых был сформулирован закон Джоуля-Ленца (1845) о связи эл. и тепловой энергии Q=J2Rt.

Опираясь на работы Джоуля и Майера, Клаузиус впервые высказал мысль, сформировавшуюся впоследствии в 1ое начало ТД, что всякое тело имеет внутреннюю энергию U.

Клаузиус назвал ее теплом, содержащимся в теле, в отличие от тепла Q, сообщенного телу, внутреннюю энергию можно увеличить двумя эквивалентными способами: проведя над телом механическую работу ∆U=-А, или сообщая ему количество теплоты Q. DU = Q-A

В 1860 г. Томсон окончательно заменив устаревший термин “сила” термином “энергия”, записывает первое начало термодинамики в следующей формулировке: Кол-во теплоты, сообщенное газу, идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение газом внешней работы Q = DU +A. В случае бесконечно малых изменений: dQ =dU+dA

Таким образом, постепенно, на протяжении более четырех десятилетий сформировался один из самых великих принципов современной науки. Этот принцип заключается в следующем: cуществует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Исключений из закона сохранения энергии не существует.

Второе начало термодинамики устанавливает направленность всех процессов в изолированных системах. Кельвин и Кла-узиус отделили это начало — хотя полное количество энергии сохраняется в любом процессе, распределение энергии изменяется необратимо. Второе начало называют принципом энтропии.

Теплота переходит самопроизвольно только от более нагретых тел к менее нагретым. При этом для направления, в котором происходит изменение распределения энергии, оказывается не важно само количество энергии.

Это начало проявилось при преобразовании теплоты в полезную работу, оно сыграло важнейшую роль в преобразовании энергии, запасенной в топливе, в движущую силу. Ограничения, устанавливаемые вторым началом термодинамики, показали, что трудно выделить упорядоченное движение из неупорядоченного.

В формулировке Кельвина второе начало таково: «Невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в поглощении теплоты от нагревателя и полного преобразования этой теплоты в работу».

Возможность построения машины без холодильника, т.е. с КПД=1, которая могла бы превращать в работу всю теплоту, заимствованную у теплового резервуара, не противоречит закону сохранения энергии. Она была бы аналогична вечному двигателю, т.к. могла бы производить работу за счет практически ∞ источников энергии. Такую машину Оствальд назвал вечным двигателем 2ого рода.

Карно же исходил из невозможности вечного двигателя, утверждая, что в любом непрерывном процессе превращения теплоты от горячего нагревателя в работу непременно должна происходить отдача тепла холодильнику.

Таким образом, здесь проявляется общее свойство теплоты — уравнивание температурной разницы путем перехода от теплых тел к холодным. Второе начало термодинамики определяет направления превращения энергии.

Существует ряд его формулировок: 1) В природе невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от менее нагретого к более нагретому. 2) КПД любой тепловой машины всегда меньше 1, т.е.

невозможен вечный двигатель 2 рода. 3) Энтропия изолированной системы не убывает (т.е. при протекании обратимых процессов энтропия постоянна, а при необратимых процессах она возрастает).

Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии максимальна и постоянна.

Понятие S — энтропия ( физ величина , которая характеризует меру той энергии, которая может быть переведена в работу и тепло , но не может быть переведена обратно). Она показывает нам , почему в природе есть необратимые процессы, помогает нам объяснить почему время — направление направление. И почему время является необратимым .

 Стрела времени указывает на то, что у времени есть направление , стрелу времени ввел Артур Эдинктон .

Стрела времени расходящихся кругов воды

Психологическая стрела времени — объясняет нам, почему правильно помнить прошлое, а будущие .Космологическая стрела времени .

Физическую интерпретацию понятия энтропия дал Людвиг Больцман . Он своей знаменитой формулой доказал , что энтропия — мера беспорядка .

Демон Лапласа

«Демон Лапласа»- это мысленный эксперимент, предложенный французским математиком Пьером-Симоном Лапласом в 1814 г.

, а также главный персонаж этого эксперимента — вымышленное существо, которое знает положения и скорости всех частиц Вселенной в любой момент времени, обладает бесконечной вычислительной мощью, и поэтому может предсказать развитие всех событий, как в прошлом, так и в будущем.

Проблематика «Демона Лапласа» связана с вопросом о том, возможно ли такое предсказание теоретически.

Как возник «Демон Лапласа»?

До создания ньютоновой механики наиболее универсальной причиной движения считали божество, это была единая , общая фундаментальная причина движения.

Затем была создана классическая ньютоновская механика. Причинность ньютоновой механики впервые представил Лаплас. Он пришел к выводу, что всякое движение может быть математически описано во времени, а также все процессы в мире могут быть представлены, как движение взаимодействующих между собой по законам механики материальных точек.

«По Лапласу» весь мир мог быть описан уравнениями. Тогда-то и возникла идея всемогущего разума, способного справиться с составлением и решением этого бесконечного множества уравнений.

Так возник «демон Лапласа», имеющий сверхчеловеческие способности — собирать предельно полную, исчерпывающую информацию, перерабатывать ее математически и мгновенно производить любые вычисления. Лапласов демон знает все о состоянии всего в любой момент.

Как он собирает информацию неважно, во всяком случае, он способен ее собрать и полностью ее усвоить. В какой-то момент он знает положение и скорость любой частицы. Подставляя их в уравнения движения и решая, он узнает полностью все будущее. И не только будущее, но и прошлое: ведь уравнения Ньютона обратимы.

Для этого достаточно изменить направление оси времени, и все прошлое станет полностью известно. Демон знает все о нашем мире, и, кроме того, по своим вычислительным способностям он значительно превосходит все существующие вычислительные машины.

Если бы такой демон существовал, то он знал бы все, все наши поступки и вызванные ими изменения.

Лаплас был убежден в том, что: «Мы можем рассматривать настоящее состояние Вселенной как следствие его прошлого и причину его будущего.

Разум, которому в каждый определенный момент времени были бы известны все силы, приводящие природу в движение, и положение всех тел, из которых она состоит, будь он также достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, смог бы объять единым законом движение величайших тел Вселенной и мельчайшего атома; для такого разума ничего не было бы не ясного и будущее существовало бы в его глазах точно так же, как прошлое. Ум человеческий в совершенстве … дает нам представление о слабом наброске того разума ». Это и есть сущность «Демона Лапласа».

Демон Максвелла

Мысленный эксперимент состоит в следующем: предположим, сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую.

В перегородке есть отверстие с устройством (так называемый демон Максвелла), которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным (холодным) молекулам — только из правой части сосуда в левую.

Тогда через большой промежуток времени «горячие» (быстрые) молекулы окажутся в правом сосуде, а «холодные» останутся в левом.

Таким образом, получается, что демон Максвелла позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без дополнительного подвода энергии к системе. Энтропия для системы, состоящей из правой и левой части сосуда, в начальном состоянии больше, чем в конечном, что противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах

 2ое начало термодинамики является проявлением статистических законов (законы вероятности).

Третье начало термодинамики определяет свойства веществ при очень низких температурах, утверждая, что нельзя охладить тела до температуры абсолютного нуля за конечное число процессов. Оно предполагает атомное строение вещества, тогда как остальные являются обобщением опытных данных и не содержат сведений о какой-либо структуре вещества.

Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 142;

Источник: https://studopedia.net/3_1430_nachala-termodinamiki--istoriya-i-analiz.html

Booksm
Добавить комментарий