‘≥зика > “ермодинам≥ка

“ермодинам≥ка

   а) ¬иникненн¤ термодинам≥ки

“еплов≥ ¤вища в≥др≥зн¤ютьс¤ в≥д механ≥чних ≥ електромагн≥тних тем, що закони теплових ¤вищ необоротн≥ (тобто теплов≥ процеси сам≥ йдуть лише в одному напр¤мку) ≥ що теплов≥ процеси зд≥йснюютьс¤ лише в макроскоп≥чних масштабах, а тому використовуван≥ дл¤ опису теплових процес≥в пон¤тт¤ ≥ розм≥ри (температура, к≥льк≥сть теплоти ≥ т.д.) також мають т≥льки макроскоп≥чний зм≥ст (про температуру, наприклад, можна говорити стосовно до макроскоп≥чного т≥ла, але не до молекул≥ або атому). ¬одночас знанн¤ буд≥вл≥ речовини необх≥дно дл¤ розум≥нн¤ закон≥в теплових ¤вищ.

“≥ло, анал≥зоване з термодинам≥чноњ позиц≥њ, Ї нерухомим, що не волод≥Ї механ≥чною енерг≥Їю. јле таке т≥ло маЇ внутр≥шню енерг≥ю, що складаЇтьс¤ з енерг≥й електрон≥в, що рухаютьс¤, ≥ т.д. ÷е внутр≥шн¤ енерг≥¤ може зб≥льшуватис¤ або зменшуватис¤. ѕередача енерг≥њ може зд≥йснюватис¤ шл¤хом передача в≥д одного т≥ла до ≥ншого при вчиненн≥ над ними роботи ≥ шл¤хом теплообм≥ну. ¬ другому випадку внутр≥шн¤ енерг≥¤ переходить в≥д б≥льш нагр≥того т≥ла до менше нагр≥того без учиненн¤ роботи. ѕередану енерг≥ю називають к≥льк≥стю теплоти, а передачу енерг≥њ - теплопередачею. ” загальному випадку обидва процеси можуть зд≥йснюватис¤ одночасно, коли т≥ло при утрат≥ внутр≥шньоњ енерг≥њ може здвйснювати роботу ≥ передавати теплоту ≥ншому т≥лу. ƒо розум≥нн¤ цього вчен≥ прийшли не в≥дразу. ƒл¤ XVIII ≥ перш≥й половин≥ XIX ст. було характерно розум≥ти теплоту ¤к невагому р≥дину (речовина).

”¤вленн¤ про теплоту ¤к форм≥ пр¤муванн¤ др≥бних часток матер≥њ з'¤вилос¤ ще в XVII стор≥чч≥. ÷их погл¤д≥в притримувалис¤ Ѕекон, ƒекарт, Ќьютон, √ук, Ћоминосов. ѕроте й у XIX стор≥чч≥ концепц≥¤ теплорода розд≥л¤лас¤ багатьма вченими. Ќаприк≥нц≥ XVIII стор≥чч¤ Ѕ.“омпсон (граф –умфорд) ви¤вив вид≥ленн¤ великоњ к≥лькост≥ тепла при висвердлюванн≥ каналу в гарматному стовбур≥, що порахував доказом того, що теплота Ї формою пр¤муванн¤. ќдержанн¤ теплоти за допомогою терт¤ п≥дтвердили досв≥ди √.ƒев≥. Ѕ.“омпсон показав, що з обмеженоњ к≥лькост≥ матер≥њ може бути отримана необмежена к≥льк≥сть теплоти.

¬иникненн¤ власне термодинам≥ки починаЇтьс¤ з роботи —. арно (сам терм≥н "термодинам≥ка" уведений Ѕ.“омпсоном). ƒосл≥джуючи практичну задачу одержанн¤ пр¤муванн¤ з тепла стосовно до парових машин, в≥н зрозум≥в, що принцип одержанн¤ пр¤муванн¤ з тепла необх≥дно розгл¤дати не т≥льки стосовно парових машин, але до будь-¤ких мислимих теплових машин. “ак був сформульований загальний метод р≥шенн¤ задач≥ - термодинам≥чний, що заклав основу термодинам≥ки. ¬изначаючи коеф≥ц≥Їнт корисноњ д≥њ теплових машин,  арно ув≥в св≥й знаменитий цикл, що складаЇтьс¤ з двох ≥зотерм≥чних (¤к≥ в≥дбуваютьс¤ при пост≥йн≥й температур≥) ≥ двох ад≥абатичних (без притоки ≥ в≥ддач≥ тепла) процес≥в.   ƒ циклу  арно не залежить в≥д властивостей робочого т≥ла (пару, газу ≥ т.д.) ≥ визначаЇтьс¤ температурами теплов≥ддатика ≥ теплоприймальника.   ƒ будь-¤коњ тепловоњ машини не може бути при тих же температурах теплоотдатчика ≥ теплоприемника вище  ѕƒ циклу  арно.

 арно першим розкрив зв'¤зок теплоти з роботою. јле в≥н виходив ≥з концепц≥њ теплорода, що визнавала тепл≥сть незм≥нноњ по к≥лькост≥ субстанц≥Їю. ¬одночас  арно вже зрозум≥в, що робота паровоњ машини визначаЇтьс¤ загальним законом переходу тепла в≥д б≥льш високих до б≥льш низьких температур, тобто що не може бути безмежного в≥дтворенн¤ руш≥йноњ сили без витрат теплорода. “аким чином, робота рекомендувалас¤ ¤к результат перепаду теплорода з вищого р≥вн¤ на нижч≥. ≤накше кажучи, теплота може створювати роботу лише при на¤вност≥ р≥зниц≥ температур. «а своњм зм≥стом це ≥ складаЇ зм≥ст другого початку термодинам≥ки.   ƒ тепловоњ машини ви¤вивс¤ залежним не в≥д робочоњ речовини, а в≥д температури теплов≥оддачика ≥ теплоприймальника. ¬се це дозволило  арно прийти до визнанн¤ принципу неможливост≥ створенн¤ в≥чного двигуна першого роду (тобто безупинно чинноњ машини, що, будучи ¤кось запущеноњ, чинила би роботу без притоки ззовн≥).

”св≥домлюючи хиби теор≥њ теплорода,  арно зрештою в≥дмовл¤Їтьс¤ в≥д визнанн¤ теплоти незм≥нноњ по к≥лькост≥ субстанц≥Їю ≥ даЇ значенн¤ механ≥чного екв≥валента теплоти. јле публ≥кац≥¤ цього висновка була зд≥йснена вже п≥сл¤ визнанн¤ закону збер≥ганн¤ енерг≥њ, тому даний висновок не з≥грав т≥Їњ рол≥. ¤кий м≥г з≥грати. будучи опубл≥кованим ран≥ше. јле так чи ≥накше  арно заклав основи термодинам≥ки ¤к под≥лу ф≥зики, що вивчаЇ найб≥льше загальн≥ властивост≥ макроскоп≥чних систем, що знаход¤тьс¤ в стан≥ термодинам≥чноњ р≥вноваги, ≥ процеси переходу м≥ж цими станами. “ермодинам≥ка стала розвиватис¤ на основ≥ фундаментальних принцип≥в або початк≥в, що Ї узагальненн¤м результат≥в численних спостережень ≥ експеримент≥в.

б) ѕерший початок термодинам≥ки (закон збереженн¤ енерг≥њ в застосуванн≥ до термодинам≥чних процес≥в) говорить: при пов≥домленн≥ термодинам≥чн≥й систем≥ (наприклад, пару в теплов≥й машин≥) визначеноњ к≥лькост≥ теплоти в загальному випадку в≥дбуваЇтьс¤ при зб≥льшенн≥ внутр≥шньоњ енерг≥њ системи ≥ вона зд≥йснюЇ роботу проти зовн≥шн≥х сил. ¬ище в≥дзначалос¤, що першим, хто поставив теплоту у зв'¤зок ≥з роботою, був  арно, але його робота в силу сп≥зн≥лоњ публ≥кац≥њ не зробила вир≥шального впливу на формуванн¤ першого початку термодинам≥ки. ѕроте ≥де¤ про те, що теплоту - не субстанц≥¤, а сила (енерг≥¤), одн≥Їњ з форм котроњ ≥ Ї теплота, причому ц¤ сила, у залежност≥ в≥д умов, виступаЇ у вид≥ пр¤муванн¤, електрики, св≥тла, магнетизму, теплота, що можуть перетворюватис¤ друг у друга, ≥снувала в розумах досл≥дник≥в. ƒл¤ перетворенн¤ ц≥Їњ ≥дењ в ¤сне ≥ точне пон¤тт¤, необх≥дно було визначити загальну м≥ру ц≥Їњ сили. це зробили, незалежно друг в≥д друга, –.ћайер, ƒ.ƒжоуль ≥ √.√ельмгольц.

–.ћайер першим сформулював закон екв≥валентност≥ механ≥чноњ роботи ≥ тепл≥сть ≥ розрахувала механ≥чний екв≥валент теплоти (1842 р.). ƒ.ƒжоуль експериментально п≥дтвердив припущенн¤ про те, що теплота Ї формою енерг≥њ ≥ визначив м≥ру перетворенн¤ механ≥чноњ роботи в теплоту. ћ.√ельмгольц у 1847 р. математично обгрунтував закон збереженн¤ енерг≥њ, показавши його загальний характер. ѕ≥дх≥д ус≥х трьох автор≥в закону збереженн¤ енерг≥њ був р≥зноман≥тним. ћайер в≥дпихавс¤ б≥льше в≥д загальних положень, пов'¤заних з аналог≥Їю м≥ж "живою силою" (енерг≥Їю), що одержували т≥ла при своЇму пад≥нн≥ в≥дпов≥дно до закону всесв≥тнього т¤ж≥нн¤, ≥ теплотою, що в≥ддавали стиснут≥ гази. ƒжоуль йшов в≥д експеримент≥в по ви¤вленню можливост≥ використанн¤ електричного двигуна ¤к практичного джерела енерг≥њ (ц¤ обставина ≥ змушувала його задуматис¤ над питанн¤м про к≥льк≥сну екв≥валентн≥сть роботи ≥ теплоти). ћ.√ельмгольц прийшов до в≥дкритт¤ закону збереженн¤ енерг≥њ, намагаючись застосувати концепц≥ю пр¤муванн¤ Ќьютона до пр¤муванн¤ великого числа т≥л, що знаход¤тьс¤ п≥д впливом взаЇмного т¤ж≥нн¤. …ого висновок про те, що сума сили ≥ напруги (тобто к≥нетичною ≥ потенц≥йною енерг≥Їю) залишаЇтьс¤ пост≥йноњ, Ї формулюванн¤м закону збер≥ганн¤ енерг≥њ в його найб≥льше загальн≥й форм≥. ÷ей закон - найб≥льше в≥дкритт¤ XIX стор≥чч¤. ћехан≥чна робота, електрика ≥ теплота - р≥зноман≥тн≥ форми енерг≥њ. ƒ.Ѕернал так охарактеризував його значенн¤: "¬≥н об'Їднав багато наук ≥ знаходивс¤ у вин¤тков≥й гармон≥њ з тенденц≥¤ми часу. ≈нерг≥¤ стала ун≥версальною валютою ф≥зики - так сказати, золотим стандартом зм≥н, що в≥дбувалис¤ у всесв≥том. “е, що було встановлено, ¤вл¤в собою твердий валютний курс дл¤ обм≥ну м≥ж валютами р≥зноман≥тних вид≥в енерг≥њ: м≥ж калор≥¤ми теплоти к≥лограм-метрами роботи ≥ к≥ловат-годинами електрики. ¬с¤ людська д≥¤льн≥сть у ц≥лому - промислов≥сть, транспорт, осв≥тленн¤ ≥, у к≥нцевому рахунку, харчуванн¤ ≥ саме житт¤ - розгл¤далос¤ з погл¤ду  залежност≥ в≥д цього одного загального терм≥на - енерг≥¤"

в) ƒругий початок термодинам≥ки - закон зростанн¤ ентроп≥њ: у замкнутоњ (тобто ≥зольованоњ в тепловому ≥ механ≥чному в≥дношенн≥) систем≥ ентроп≥¤ або залишаЇтьс¤ незм≥нною (¤кщо в систем≥ прот≥кають оборотн≥, р≥вноважн≥ процеси), або зростаЇ (при нер≥вних процесах) ≥ в стан≥ р≥вноваги дос¤гаЇ максимуму. ≤снують ≥ ≥нш≥ екв≥валентн≥ формулюванн¤ другого початку термодинам≥ки, що належать р≥зним ученим: неможлив≥ перех≥д теплоти в≥д т≥ла б≥льш холодного до т≥ла, б≥льш нагр≥тому, без ¤ких-небудь ≥нших зм≥н у систем≥ або навколишньому середовищ≥ (–. лаузиус); неможливо створити пер≥одично чинну, тобто зд≥йснюючу ¤кийсь термодинам≥чний цикл, машину, ус¤ робота ¤коњ зводилас¤ б до п≥дн¤тт¤ де¤кого вантажу (механ≥чн≥й робот≥) ≥ в≥дпов≥дному охолодженню теплового резервуара (¬.“омсон, ћ.ѕланк); неможливо побудувати в≥чний двигун другого роду, тобто теплову машину, що у результат≥ вчиненн¤ кругового процесу (циклу) ц≥лком перетворить теплоту, одержувану в≥д ¤когось одного "невичерпного" джерела (океану, атмосфери ≥ т.д.) у роботу (¬.ќствальд).

¬.“омсон (лорд  ельвин) сформулював принцип неможливост≥ створенн¤ в≥чного двигуна другого роду, у 1852 роц≥ прийшов до формуванн¤ концепц≥њ "тепловоњ смерт≥" усесв≥том. ѓњ суть розкриваЇтьс¤ в таких положенн¤х. ѕо-перше, у всесв≥том ≥снуЇ тенденц≥¤ до марнуванн¤ механ≥чноњ енерг≥њ ѕо-друге в≥дновленн¤ механ≥чноњ енерг≥њ в стар≥й к≥лькост≥ не може бути зд≥йснено. ѕо-третЇ, у майбутньому «емл¤ опинетьс¤ в негожому дл¤ житт¤ людини стан≥. „ерез 20 рок≥в  лауз≥ус приходить до того ж висновку, сформулював другий початок термодинам≥ки у вид≥: ентроп≥¤ всесв≥том ринетьс¤ до максимуму. (ѕ≥д ентроп≥Їю в≥н розум≥в розм≥р, що подаЇ собою суму вс≥х перетворень, що повинн≥ були мати м≥сце, щоб призвести систему в њњ тепер≥шн≥й стан.)

1	2

Ќазва: “ермодинам≥ка
ƒата публ≥кац≥њ: 2005-03-24 (1576 прочитано)