История развития законов термодинамики

      К этой формулировке, которую называют томсоновской формулировкой второго начала, Томсон делает  следующее примечание: «Если бы мы не признали данную аксиому действительной при всех температурах, нам пришлось бы допустить, что можно ввести в действие автоматическую машину и получать путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания сей теплоты суши и моря или в конце концов всего материального мира».

      В 1852 г., развивая положения  статьи 1851 г., Томсон приходит к следующим выводам:

      «1. В материальном мире существует в  настоящее время общая тенденция  к расточению механической энергии.

      2. Восстановление механической энергии  в ее  прежнем количестве без рассеяния ее в более чем эквивалентном количестве не может быть осуществлено при помощи каких бы то ни было процессов с неодушевленными предметами и, вероятно, также никогда не осуществляется при помощи организованной материи, как наделено растительной жизнью, так и подчиненной воле одушевленного существа.

      3. В прошлом, отстоящем на конечный  промежуток времени от настоящего  момента, Земля находилась и  спустя конечный промежуток времени  снова очутится в состоянии, непригодном для обитания человека; если только в прошлом не были проведены и в будущем не будут предприняты такие меры, которые являются неосуществимыми при наличии законов, ныне  регулирующих известные процессы, протекающие ныне в материальном мире». 
 
 
 

      3 Третье начало термодинамики

         Открытие третьего начала термодинамики связано с нахождением химического средства - величины , характеризующих способность различных веществ химически реагировать друг с другом . Эта величина определяется работой  W  химических сил при реакции . Первое и второе начало термодинамики позволяют вычислить химическое средство  W  только с точностью до некоторой неопределенной функции . Чтобы определить эту функцию нужны в дополнении к обоим началам термодинамики новые опытные данные о свойствах тел

      В 1906 году Нернст сформулировал новый, независимый от первого и второго  начала, принцип термодинамики. Его  иногда называют третьим началом  термодинамики. Он вводит в термодинамику  некоторые абсолютные значения, в  частности абсолютное значение энтропии.

       Энтропии (от греч. entropia — поворот, превращение) (обычно обозначается  S), функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором S максимальна.

      Понятие «энтропия» введено в 1865 году Р. Клаузиусом. Статистическая физика рассматривает энтропию как меру вероятности пребывания системы в данном состоянии (Больцмана принцип). Понятием энтропии широко пользуются в физике, химии, биологии и теории информации.

      Второе  начало термодинамики указывает  на существование и изменение энтропии, определяемой через дифференциал. Поэтому энтропия определена с точностью до постоянной интегрирования. Этого достаточно, чтобы решать задачи, в которые входят изменения энтропии. Но существуют задачи, требующие знания абсолютного значения энтропии.

      . Поэтому Нернстоном были предприняты  широкие экспериментальные исследования  поведение веществ при низкой  температуре .

         В результате этих исследований  и было сформулировано третье начало термодинамики :  по мере  приближения  температуры  к  0 К  энтропия всякой равновесной системы при изотермических процессах перестает зависеть от каких-либо термодинамических параметров состояния и в пределе ( Т= 0 К) принимает одну и туже для всех систем универсальную постоянную величину , которую можно принять равной нулю .

         В результате изучения процессов, происходящих при очень низких температурах, Нернст обнаружил, что при температурах, близких к абсолютному нулю, изменения энтропии становятся очень малыми. Нернст предположил, что энтропия стремится к неизменному значению, когда температура стремится к абсолютному нулю. Это значение не зависит от параметров и состояния системы. Константу можно рассматривать как нулевое значение энтропии. Предположение Нернста было подтверждено и получило широкое применение; из третьего начало термодинамики были сделаны такие выводы, как стремление теплоемкости к нулю, когда температура стремится к абсолютному нулю, недостижимость температуры абсолютного нуля (при принципиальной возможности получить любое приближение к абсолютному нулю) и многие другие.

        М. Планк дополнил теорему Нернста  гипотезой, что энтропия всех  тел при абсолютном нуле температуры  равна нулю. Из третьего начала  термодинамики вытекают важные  следствия о свойствах веществ  вблизи абсолютного нуля. Так, обращаются в нуль: удельные теплоемкости при постоянном объеме (С_v) и при постоянном давлении (С_p), термический коэффициент расширения и давления. Из третьего начала термодинамики следует также недостижимость абсолютного нуля температуры при конечной последовательности термодинамических процессов.

      Нернста теорема: при стремлении температуры  к абсолютному нулю энтропия системы  стремится к нулю при прочих фиксированных  условиях (напр., при неизменных объеме или давлении). Другая формулировка: при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры, равной абсолютному нулю.

      Предельное  значение энтропии , поскольку оно  одно и тоже для всех систем , не имеет  никакого физического смысла и поэтому  полагается равным нулю (постулат Планка). Как показывает статическое рассмотрение этого вопроса , энтропия по своему существу определена с точностью до некоторой постоянной (подобно, например, электростатическому потенциалу системы зарядов в какой либо точке поля). Таким образом , нет смысла вводить некую “абсолютную энтропию”, как это делал Планк и некоторые другие ученые. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

            4 Нулевое начало термодинамики

      Существует  еще понятие так называемого  нулевого начала термодинамики. 
Изучая явления в рамках классической термодинамики, как правило, отвлекаются от характера молекулярного и атомного строения вещества. При исследовании явлений обращают внимание исключительно на макроскопические свойства системы, которые оцениваются по опытным данным измерения макроскопическими приборами: термометрами, калориметрами, манометрами и т.д. Поэтому классическая термодинамика является феноменологической наукой. 
Таким образом, в классической термодинамике отвлекаются от движения микрочастиц тела и рассматривают лишь результат этого движения, который есть не что иное, как температура тела. Это и есть нулевое начало термодинамики. Оно формулируется в виде следующей аксиомы: все тела при тепловом равновесии обладают температурой. Нулевое начало является исходным положением термодинамики, так как тепловое движение происходит во всех телах. Оно неуничтожимо, как неуничтожимо всякое движение в природе.

      Нулевое начало термодинамики сформулированное всего около 50 лет назад , по существу представляет собой полученное “задним  числом” логическое оправдание для  введения понятия температуры физических тел . Температура  -  одно из самых  глубоких понятий термодинамики . Температура играет столь же важную роль в термодинамике , как , например процессы. Впервые центральное место в физике занял совершенно абстрактное понятие ; оно пришло на смену введенному еще во времена Ньютона ( 17 век) понятию силы - на первый взгляд более конкретному и  “осязаемому” и к тому же успешно “ математезированному” Ньютоном.  
 

      Заключение 

      Разными путями шли открыватели закона сохранения и превращения энергии к его  установлению. Майер, начав с медицинского наблюдения, сразу рассматривал его как глубокий всеобъемлющий закон и раскрывал цепь энергетических превращений от космоса до живого организма. Джоуль упорно и настойчиво измерял количественное соотношение теплоты и механической работы. Гельмгольц связал закон с исследованиями великих механиков XVIII в.

      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.

      Можно перечислить еще множество имен великих ученых разных времен, которые  внесли огромный вклад в развитие термодинамики, но по- моему мнению, очень многое на сегодняшний день не открыто и не исследовано.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Список  использованных источников

      1 Спасский Б.К. История физики.- М.: ИЦ «Академия», 2002.-345 с.

      2 Кудрявцев П.С. Курс истории  физики. – М.: «ВШ», 2001.-435 с.

      3 Кузнецов Б.Г. Развитие физических идей  от Галилея до Эйнштейна в свете современной науки.- М.: «Академия наук СССР», 1963.-511 с.