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
Чита 2009
Содержание
Введение………………………………….……
1
Первое начало термодинамики………
2
Второе начало термодинамики………
3
Третье начало термодинамики………
4
Нулевое начало термодинамики……
Заключение……………………………………
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
Правительство
капиталистической Франции
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
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
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.
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
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
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
Томсон
утверждает, что вся теория движущей
силы теплоты основана на двух положениях,
из которых первое восходит к Джоулю
и формулируется следующим
«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».

- История развития законодательства
- История развития законодательства об ответственности за незаконное предпринимательство в советский период
- История развития законодательства о преступлениях в сфере экономики
- История развития законодательства о преступлениях против интересов службы в коммерческих и иных организациях
- История развития западной и отечественной конфликтологии
- История развития зарубежного дизайна
- История развития зарубежного дизайна
- История развития железной дороги в России
- История развития железных дорог
- История развития железных дорог России
- История развития женского мини-футбола
- История развития женской преступности XIX-XX вв
- История развития живописи в 19-м веке
- История развития завода КАМАЗ