Термодинаміка

Виникнення термодинаміки

Теплові явища відрізняються від механічних і електромагнітних тим, що закони теплових явищ необоротні (тобто теплові процеси самі йдуть лише в одному напрямку) і що теплові процеси здійснюються лише в макроскопічних масштабах, а тому використовувані для опису теплових процесів поняття і розміри (температура, кількість теплоти і т.д.) також мають тільки макроскопічний зміст (про температуру, наприклад, можна говорити стосовно до макроскопічного тіла, але не до молекули або атому). Водночас знання будови речовини необхідно для розуміння законів теплових явищ. Тіло, аналізоване з термодинамічної позиції, є нерухомим, що не володіє механічною енергією. Але таке тіло має внутрішню енергію, що складається з енергій електронів, що рухаються, і т.д. Ця внутрішня енергія може збільшуватися або зменшуватися. Передача енергії може здійснюватися шляхом передачі від одного тіла до іншого під час виконання над ними роботи і шляхом теплообміну. В другому випадку внутрішня енергія переходить від більш нагрітого тіла до менше нагрітого без виконання роботи. Передану енергію називають кількістю теплоти, а передачу енергії - теплопередачею. У загальному випадку обидва процеси можуть здійснюватися одночасно, коли тіло втрачаючи внутрішню енергію може здійснювати роботу і передавати теплоту іншому тілу. До розуміння цього вчені прийшли не відразу. У XVIII і першій половині XIX ст. було характерно розуміти теплоту як невагому рідину (речовину).

Уявлення про теплоту як форми руху дрібних часток матерії з'явилося ще в XVII столітті. Цих поглядів притримувалися Бекон, Декарт, Ньютон, Гук, Ломоносов. Проте й у XIX столітті концепція теплороду розглядалася багатьма вченими. Наприкінці XVIII століття Б.Томпсон (граф Румфорд) виявив виділення великої кількості тепла під час висвердлюванні каналу в гарматному стовбурі, що вважав доказом того, що теплота є формою прямування. Одержання теплоти за допомогою тертя підтвердили досліди Г.Деві. Б.Томпсон показав, що з обмеженої кількості матерії може бути отримана необмежена кількість теплоти.

Виникнення власне термодинаміки починається з роботи С.Карно (сам термін "термодинаміка" введений Б.Томпсоном). Досліджуючи практичну задачу одержання прямування з тепла стосовно до парових машин, він зрозумів, що принцип одержання прямування з тепла необхідно розглядати не тільки стосовно парових машин, але до будь-яких уявних теплових машин. Так був сформульований загальний метод розв’язку задачі - термодинамічний, що заклав основу термодинаміки. Визначаючи коефіцієнт корисної дії теплових машин, Карно увів свій знаменитий цикл, що складається з двох ізотермічних (які відбуваються при постійній температурі) і двох адіабатичних (без припливу і віддачі тепла) процесів. ККД циклу Карно не залежить від властивостей робочого тіла (пари, газу і т.д.) і визначається температурами тепловіддатчика і теплоприймача. ККД будь-якої теплової машини не може бути при тих же температурах тепловіддатчика і теплоприймача вище ККД циклу Карно.

Карно першим розкрив зв'язок теплоти з роботою. Але він виходив із концепції теплороду, що визнавала теплість незмінної по кількості субстанцією. Водночас Карно вже зрозумів, що робота парової машини визначається загальним законом переходу тепла від більш високих до більш низьких температур, тобто що не може бути безмежного відтворення рушійної сили без витрат теплороду. Таким чином, робота рекомендувалася як результат перепаду теплороду з вищого рівня на нижчі. Інакше кажучи, теплота може створювати роботу лише при наявності різниці температур. За своїм змістом це і складає основу другого початку термодинаміки. ККД теплової машини виявився залежним не від робочої речовини, а від температури тепловіддатчика і теплоприймача. Все це дозволило Карно прийти до визнання принципу неможливості створення вічного двигуна першого роду (тобто постійно працюючої машини, що, будучи якось запущеною, виконувала б роботу без притоку енергії ззовні).

Усвідомлюючи хибність теорії теплороду, Карно зрештою відмовляється від визнання теплоти незмінної по кількості субстанцією і дає значення механічного еквівалента теплоти. Але публікація цього висновку була здійснена вже після винайдення закону збереження енергії, тому даний висновок не мав того значення, яке б мав. будучи опублікованим раніше. Але так чи інакше Карно заклав основи термодинаміки як поділу фізики, що вивчає найбільше загальні властивості макроскопічних систем, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, і процеси переходу між цими станами. Термодинаміка стала розвиватися на основі фундаментальних принципів або початків, що є узагальненням результатів численних спостережень і експериментів.

Перейти на сторінку номер:
 1  2  3  4