|
Как была создана термодинамика
Фундаментальный закон природы об энергетической эквивалентности и
взаимной превращаемости всех видов движений и взаимодействий лег в основу новой
теории, которую Рудольф Клаузиус называл «механической теорией тепла», а Уильям
Томсон (лорд Кельвин) - «термодинамикой». В этой теории гипотеза о теплороде
оказалась совершенно ненужной.
Термин «термодинамика» закрепился в науке и используется в настоящее
время. Этот термин, состоящий из слов «термо» и «динамика» не следует понимать
как учение о движении теплоты. Термодинамика – это наука о законах теплового
движения (термо) и его превращениях (динамика) в другие виды движения.
Термодинамика использует феноменологический метод, в котором не рассматривается
внутренняя природа или механизм этих превращений. Микроскопический подход к
тепловым явлениям используется в статистической физике, выросшей из
молекулярно-кинетических представлений.
Согласно идеям Карно, возникновение движущей силы тепловой машины
связано не с действительной тратой теплорода, а лишь с его переходом от более
горячего тела к более холодному. С другой стороны, доказательство Джоулем
эквивалентности работы и теплоты приводило к выводу, что для совершения работы
необходима затрата определенного количества теплоты. Возникшее противоречие
попытался разрешить лорд Кельвин. Обсуждая опыты Джоуля и имея в виду идеи
Карно, лорд Кельвин писал: «Эти опыты, кажется, опровергают распространенное
мнение о том, что теплота может быть получена только от источника,
содержащего ее ранее в заметном и скрытом состоянии». Таким образом, он пришел
к пониманию того, что возникло противоречие, которое требовало коренного
пересмотра сложившихся в то время представлений о теплоте. В 1851 г. лорд Кельвин
опубликовал работу «О динамической теории тепла», в которой он сформулировал
результат своих исследований:
«Невозможно получить механическое действие от какой-либо массы вещества
исключительно за счет охлаждения ее ниже температуры самого холодного из
окружающих тел». Иначе можно было бы полученную при этом работу превратить
(например, трением) в тепло и таким образом передать тепло от более холодного тела
к более теплому. Несколько ранее Рудольф Клаузиус в работе «О движущей силе
тепла» пришел к выводу: «Теплота не может самопроизвольно переходить от более
холодного тела к более горячему». Эту особенность теплоты отмечал еще Блэк в конце
XVIII в., но тогда на это никто не обратил внимания. Термин «самопроизвольно»
означает, что никаким способом (с помощью теплопроводности, вязкости, излучения и
пр.) никогда теплота не может накапливаться в более теплом теле, за счет более
холодного. Позднее Клаузиус уточнил свою формулировку: «Переход тепла от более
холодного к более теплому телу не может совершаться без компенсации». Указанные
выше формулировки лорда Кельвина и Клаузиуса представляют собой второе начало
термодинамики, из которого следует невозможность вечного двигателя второго рода,
т.е. периодически работающей машины, которая производила бы работу только за
счет охлаждения теплового резервуара.
Эквивалентность
тепловой
меры
энергии
(калория)
механической
(килограммометр) рассматривалась в то время как доказательство механической
природы теплоты. На этом основании Клаузиус и развивал свою теорию теплоты. В
упоминавшейся уже работе «О движущей силе тепла» Клаузиус ввел функцию,
которую он назвал «эргалом». Теперь ее называют внутренней энергией. В 1865 г.
Клаузиус ввел чрезвычайно важное понятие энтропии, означающее «способность к
превращениям» (поворот, превращение). Он разъяснял, что энтропия – «это величина,
представляющая собой сумму всех превращений, которые должны были иметь
место, дабы привести любое тело или систему тел в их нынешнее состояние». Важ-
ная особенность энтропии заключается в том, что в замкнутой системе она остается
постоянной для обратимых процессов, и может только возрастать в случае
необратимых процессов.
В 1848 г. лорд Кельвин ввел абсолютную шкалу температурЭту абсолютную
шкалу температур назвали шкалой Кельвина. Развивая и уточняя идеи Карно, Кельвин
установил, что отношение абсолютных температур равно отношению количеств тепла
в цикле Карно:
T
1
/T
2
= Q
1
/Q
2
,
где – T
1
и T
2
абсолютные температуры нагревателя и холодильника, Q
1
–
количество тепла, отбираемого у нагревателя, Q
2
– количество тепла,
отдаваемого холодильнику.
Отсюда, в частности, следует вывод о недостижимости абсолютного нуля,
поскольку иначе пришлось бы совершить бесконечно большую работу, отбирая тепло
от одного тела и передавая его другому.
Классическая термодинамика изучает общие свойства макроскопических
систем, находящихся в состоянии равновесия, а также общие закономерности
установления равновесия. Состояние термодинамического равновесия определяется
как состояние, в которое рано или поздно приходит система, когда она предоставлена
самой себе. Для таких состояний понятие времени несущественно. Термодинамика
строится на постулатах - «началах», основанных на экспериментальных данных. За
исходное в термодинамике принимается положение о существовании температуры
как особой функции состояния равновесной системы. Понятие температуры чуждо
классической механике. Положение о существовании температуры называют по
предложению английского физика Ральфа Фаулера (1889-1944) нулевым началом
Do'stlaringiz bilan baham: |
