История развития законов термодинамики

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ  АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«ЧИТИНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ЧитГУ)

Институт  переподготовки и повышения квалификации 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат

 по  дисциплине: История физики..

Тема: История развития законов термодинамики. 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: ст. гр. ТКС-09

                                                                               Чюханчина А. Н.

                                                                               Проверил: доцент

                                                                       Назаров В.К 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Чита 2009 
 

      Содержание 

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

      1 Первое начало термодинамики……………………….…………..5 стр.

      2 Второе начало термодинамики……………………...…………..15 стр.

      3 Третье начало термодинамики…………………………………..18 стр.

      4 Нулевое начало термодинамики…………………...……………21 стр.

      Заключение……………………………………………...………….22 стр.

      Список  использованных источников……………………………..23 стр. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Введение

      Если  в ХVIII в. В физике (за исключением механики) господствовал эксперимент, так что физику определяли как науку «обо всем том, что через опыты познать можно», то  в ХIХ в. картина начинает меняться. Экспериментальная физика продолжает господствовать над теоретической, и редактор ведущего физического журнала 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. 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 и заводах, 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 (1810- 1878), предпринятые «с целью определить числовые данные, важные в теории паровой машины».

      С 1854 г. Реньо директор Севрской фарфоровой фабрики, где для него сооружается обширная лаборатория для научных исследований по теплоте. Реньо привлекает к своим исследованиям молодых ученых. В основном молодые исследователи из Франции, Германии, Италии, Швеции, Швейцарии и России работали в лаборатории Реньо. Эксперименты которые здесь проводились, относились к определению скрытой теплоты различных жидкостей при переходах из парообразного состояния в жидкое и наоборот. Методы тепловых измерений, предложенные Реньо, переносились в научные и учебные лаборатории высших учебных заведений, и еще в ХХ в. почти все физические практикумы университетов по теплоте были поставлены «по Реньо».

      Исследования  Реньо начали публиковаться в  конце 30-х годов ХIХ 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 ХIХ 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 ХIХ в. Таким был, например, уже упоминавшийся Иоганн Кристиан 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.

      1 Первое начало термодинамики

      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 Фурье (1768- 1830). Его работа «Аналитическая теория тепла» содержала математическую теорию теплопроводности, и разработал методы его интегрирования при заданных краевых условиях для некоторых частных случаев. В своей математической теории Фурье применил разложение функции в тригонометрический ряд (ряд Фурье). Возникшая в математике дискуссия по этому поводу 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). В 1824 г. был издан его главный труд «Размышления о движущей силе огня».

      «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 удобными 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 ХХ 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 Севери 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  машин, он 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 определенного агента; надо провести рассуждения, приложенные не только к паровым машинам, но и ко всем мыслимым тепловым машинам, каково бы ни было вещество, пущенное в дело и каким бы образом ни производилось воздействие»

      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. Диаграммы 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 давления (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.Томпсона 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 теплоты. Оно равно 370 кгс ∙ м на 1 ккал, то есть имеет правильный порядок величины.

      Таким образом, уже к 30-м годам ХХ 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 теплоты создатели ее заново.

      Воззрение на теплоту как форму движения мельчайших «нечувствительных» частиц материи высказывались еще в ХVII в.  Ф.Бэкон, Декарт, Ньютон, Гук и многие другие приходили к мысли, что теплота связана с движением частиц вещества. Но  со своей полнотой и определенностью эту идею разрабатывал и отстаивал Ломоносов. Однако он был в одиночестве, его современники переходили на сторону концепции теплорода, и, как мы видели, эта концепция разделялась многими выдающимися учеными ХIХ столетия.

      Успехи  экспериментальной теплофизики, и, прежде всего калориметрии, казалось, свидетельствовали в пользу теплорода. Но тот же ХIХ в. принес наглядные доказательства связи теплоты с механическим движением. Конечно, факт выделения тепла при трении был известен с незапамятных времен. Сторонники теплоты усматривали в этом явлении нечто аналогичное электризации тел трением – трение способствует выжиманию теплорода из тела. Однако в 1798 г. Бенжамен Томпсон (1753-1814), ставший с 1790 г. графом Румфордом, сделал в мюнхенских военных мастерских важное наблюдение: при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла, чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура поднялась на 70 градусов Фаренгейта. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой. В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Этот опыт Румфорд считал доказательством того, что теплота является формой движения.