История развития законов термодинамики

      Опыты по получению теплоты трением  повторил Дэви. Он плавил лед трением  двух кусков друг о друга. Дэви пришел к выводу, что следует оставить гипотезу о теплороде и рассматривать теплоту как колебательное движение частиц материи. Эта гипотеза была поддержана Юнгом. В 1837 году немецкий аптекарь Фридрих Мор (1806-1879) послал Поггендорфу статью «О природе теплоты». Тот ее не принял, сославшись на то, что статья не содержит новых экспериментальных исследований. В ней Мор со всей определенностью указывал, что теплота является формой движения.

      Мы  видели, как Фарадей в споре  со сторонниками контактной теории в 1839-1849 гг. утверждал идею превращения сил с сохранением их постоянной количественной величины. Фарадей по  характеру мышления резко отличался от профессиональных ученых. Поэтому можно с полным основанием утверждать, что идея закона сохранения  превращения энергии вызревала не у специалистов-физиков. И не специалисты сыграли решающую роль в утверждении великого закона. Врач Майер, пивовар Джоуль, врач Гельмгольц-  вот те три человека, за которыми история науки навсегда закрепила славу открывателей закона сохранения и превращения энергии.

      Майер Юлиус Роберт Майер родился 25 ноября 1814 г. в Гейльбронне в семье аптекаря. Он получил медицинское образование и отправился в качестве корабельного врача на о. Ява (до этого он несколько месяцев работал в клиниках Парижа). В течение годичного плавания (1840—1841) врач Майер пришел к своему великому открытию. По его словам, на этот вывод его натолкнули наблюдения над изменением цвета крови у людей в тропиках. Производя многочисленные кровопускания на рейде в Батавии, Майер заметил, что «кровь, выпускаемая из ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что, судя по цвету, я мог бы думать, что я попал на артерию». Он сделал отсюда вывод, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, т. е. артериальной и венозной... Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме».

      Майер своим наблюдением показал, что  организм управляется естественными  физико-химическими законами, и прежде всего законом сохранения и превращения энергии.

      Подчеркнем  теперь уже важную для истории  физики особенность «Замечаний о силах неживой природы» и последующих работ Майера. Мыслитель, открывший принцип превращения энергии, нигде не говорит о теплоте как о движении. Он обходит вопрос о сущности теплоты и не строит каких- либо кинетических гипотез в этой области.

      Феноменологическая  позиция Майера в отношении теплоты  была исторически оправдана последующей  кинетической интерпритацией первого  начала термодинамики.

      Первое  начала термодинамики полностью  содержалось в работе Майера 1842 года. Однако Майер был далек от строгой и законченной математической формы, какую первоначало термодинамики приобрело у Гельмогольца, и не пользовался термином «энергия», введенным Ранкиным в 1853 году. Тем не менее коренной переворот в научном мировоззрении начался именно с работы Майера.

      Майер обосновывает эквивалентность тепла  и механической работы преимущественно  принципиальными доводами. Другим, по преимуществу экспериментальным, путем шел Джоуль.

      Джеймс  Прескотт Джоуль, манчестерский пивовар, владелец большого пивоваренного завода, родился 24 декабря 1818 г. Он рано увлекся электрическими исследованиями и конструированием электрических приборов, которые описывал систематически в небольшом специальном журнале. В октябре 1841 г. он опубликовал в «Philosophical Magazine» статью о тепловом эффекте электрического тока, в которой установил, что количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока.

      В 1843 году  он опубликовал результаты экспериментов,которые должны были подтвердить превращение механической силы в теплоту и их количественную эквивалентность. Джоуль измерял количество теплоты, выделившееся в цепи электромагнитного генератора. Оказалась, что теплота находится в постоянном отношении к затраченной механической работе. Джоуль измерял также теплоту, вызванную трением жидкости при этом оказалось, что развивающаяся теплота не зависит отприроды применяемых жидкостей (вода, масло, ртуть).

      .

        Далее он определил, как изменяется температура атмосферного давления при его сжатии и разряжении. Нагревание воздуха при его  сжатии было известно давно. Старая теория объясняла этот факт уменьшением теплоемкости воздуха при сжатии. Джоуль несколькими простыми экспериментами доказал, что такая концепция не может объяснить количественных соотношений между уменьшением при сжатии воздуха и его температурой.

      Джоуль  прежде всего был экспериментатором, но он не был эмпириком. Он выдвинул одну из первых гипотез о характере  молекулярных движений, связанных  теплотой.

      Цикл  открытий сороковых годов был  в известной мере завершен докладом Гельмогольца «О сохранении силы».

      Гельмгольц  был одним из самых знаменитых физиков второй половины XIX столетия, общепризнанным лидером физической науки.

      Герман  Людвиг Фердинанд Гельмгольц родился 31 августа 1821 г. в семье потсдамского учителя гимназии, в городе, бывшем резиденцией прусских королей. Гельмгольц получил медицинское образование.

      23 июля 1847 года в Физическом обществе  в Берлине он прочитал доклад «О сохранении силы!. Гельмогольц исходил из принципа причинности. Процессы, присходящие в природе, должны иметь причины.

      Для Гельмогольца задача науки состоит  в объяснении явлений с точки  зрения механической причинности, именно на основе центральных сил: «Окончательная задача физических наук о природе заключается в том, чтобы явления природы свести к неизменным притягательным и отталкивательным силам, величина которых зависит от расстояния». «..Явления природы, — пишет Гельмгольц, — должны быть сведены к движениям материи с неизменными движущими силами, которые зависят только от пространственных взаимоотношений».

      Таким образом, мир, по Гельмгольцу, — это  совокупность материальных точек, взаимодействующих  друг с другом с центральными силами. Силы эти консервативны, и Гельмгольц во главу своего исследования ставит принцип сохранения живой силы. Принцип Майера «из ничего ничего не бывает» Гельмгольц заменяет более конкретным положением, что «невозможно при существовании любой произвольной комбинации тел природы получать непрерывно из ничего движущую силу». Этот принцип требует, чтобы «количество работы, которое получается, когда тела системы переходят из начального положения во второе, и количество работы, которое затрачивается, когда они переходят из второго положения в первое, всегда было одно и то же, каков бы ни был способ перехода, путь перехода или его скорость».

      При этом мерой произведенной работы Гельмгольц считает половину произведения (mv)2. «Для лучшего согласования с употребительным в настоящее время способом измерения силы я предлагаю величину 1/2(mv)2 обозначить как количество живой силы, благодаря чему она будет тождественна по величине с величиной затраченной работы». Таков важный шаг, сделанный Гельмгольцем, в развитии закона сохранения энергии. Принцип сохранения живой силы в его формулировке гласит: «Если любое число подвижных материальных точек движется только под влиянием таких сил, которые зависят от взаимодействия точек друг на друга или которые направлены к неподвижным центрам, то сумма живых сил всех взятых вместе точек останется одна и та же во все моменты времени, в которые все точки получают те же самые относительные положения друг по отношению к другу и по отношению к существующим неподвижным центрам, каковы бы ни были их траектории и скорости в промежутках между соответствующими моментами».

      В учении о теплоте первое начало термодинамики  в эвристическом отношении уступало первенство принципу энтропии. Поэтому  наиболее яркую роль закон сохранения энергии сыграл в те времена в электродинамике.

      Работа  Гельмогольца «О сохранении силы» представляет особый интерес сочетанием последовательного  стремления свести закономерности физики к механическому принципу сохранения и внутренней  логики, ведущей  к немеханическому обобщению  принципа.

      Доклад  Гельмогольца завершил в термодинамике  круг открытий сороковых годов.

      Идя разными путями, они наряду со многими  другими современниками настойчиво боролись за утверждение и признание  закона вопреки противодействию  цеховых ученых. Борьба была нелегкой и порой принимала трагический характер, но она окончилась полной победой. Наука получила в свое распоряжение великий закон сохранения и превращения энергии.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

        2 Второе начало термодинамики

      Прогресс  теплотехники не только стимулировал открытие закона, но и двинул вперед теоретическое изучение тепловых явлений. Уточнялись основные понятия, создавалась аксиоматика теории теплоты, разрабатывались математические методы. Ведущую роль в основании теории тепловых явлений сыграли Р.Клаузиус, В.Томпсон и другие ученые.

      Первая  статья Клаузиуса «О движущей силе теплоты» появилась в 1850 г. В ней он разбирает работу Карно и, отказываясь от его концепции неуничтожаемости теплоты, считает, что надо сохранить основную часть его положения в виде нового принципа, второго начала, который Клаузиус формулирует следующим образом: «Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому». Клаузиус неоднократно в своих статьях разъяснял смысл выражения «сама собой». Теплота в ряде процессов может перейти от холодного тела к теплому, но «тогда одновременно с этим переходом от более холодного к более теплому телу должен иметь место и противоположный переход теплоты от более теплого к более холодному, либо должно произойти какое-либо другое изменение, обладающее той особенностью, что оно не может быть обращено без того, чтобы не вызвать с своей стороны, посредственно или непосредственно, такой противоположный переход теплоты». Клаузиус указывает, что такой противоположный процесс должен рассматриваться «какая компенсация перехода теплоты от более холодного тела к более теплому», и дает новую формулировку принципа: «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому не может иметь место без компенсации».

      «Это  предположение, выставленное мною в качестве принципа, - пишет Клаузиус в своем обобщающем труде,- встретило много возражений, и мне пришлось его неоднократно защищать». В борьбе за утверждение нового принципа большую роль сыграл английский физик Вильям  Томсон.

      Работа  Карно подсказала Томпсону важную мысль о введении температурной шкалы, не зависящей от выбора термометрического тела,- абсолютный характер, не зависящий от выбора рабочего вещества  и характера процессов, применяемых в цикле. Введение «шкалы  Кельвина» представляет первый вклад Томсона в термодинамику.

      17 марта,21 апреля и 15 декабря 1851 г. Томсон сделал в  Эдинбургском  Королевском обществе доклады,  опубликованные в «Трудах» общества  за 1851 г. и в « Philosophical Magazine» за 1852 г. под заглавием «О динамической теории теплоты». Эта работа представляет собой изложение новой точки зрения на теплоту, согласно которой «теплота представляет собой не вещество, а динамическую форму механического эффекта». Поэтому «должна существовать некоторая эквивалентность между механической работой и теплотой». Томсон указывает, что этот принцип, «по-видимому, впервые… был открыто провозглашен в работе Майера «Замечания о силах неживой природы». Далее он упоминает работу Джоуля, исследовавшего численное соотношение, «связывающее теплоту и механическую силу».

      Томсон  утверждает, что вся теория движущей силы теплоты основана на двух положениях, из которых первое восходит к Джоулю и формулируется следующим образом:

      «Во всех случаях, когда равные количества механической работы получаются каким  бы то ни было способом исключительно на получение тепловых действий, всегда теряются или приобретаются равные количества теплоты».

      Второе  положение Томсон формулирует так:

      «Если какая-либо машина устроена таким образом, что при работе ее в противоположном направлении все механические и физические процессы в любой части ее движения превращаются в противоположные, то она производит ровно столько механической работы, сколько могла бы произвести за счет заданного количества тепла любая термодинамическая машина с теми же самыми температурными источниками тепла и холодильника».

      Это положение Томсон возводит к Карно  и Клаузиусу и обосновывает следующей аксиомой: «Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов».