История становления и развития термодинамики как науки
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Физико-технологический факультет
Кафедра «Материаловедение и товарная экспертиза»
РЕФЕРАТ
по дисциплине:
« История науки и техники»
на тему:
История становления и развития термодинамики как науки
Выполнил: студент 3-Фт-9 Проверил: доцент
_________ Калинина В.Ю.
(подпись) (подпись)
«___»__________20__г. «___
Самара 2011г
Содержание
Введение…………………………………………………………
Раздел 1. Становление термодинамики……………
Раздел 2. Развитие термодинамики.
Формирование представлений о превращении энергии……………………………………...5
2.1. Первый закон термодинамики…………
2.2. Второй закон термодинамики…………
2.3. Третий закон термодинамики…………
Заключение……………………………………………………
Определения и обозначения……………………………………………
Именной указатель………………………………………………………
Приложения……………………………………………………
Основные формулы
Список использованных источников……………………………………………………
Введение
Современная термодинамика занимает особое место в естествознании, в частности является теоретической основой всей современной энергетики.
Теплоэнергетика, все
типы двигателей, начиная от паровых
турбин и кончая авиационными
и ракетными двигателями, в
своей теории полностью
Термодинамика представляет собой единое, логически построенное учение, базирующееся на основных принципах, которые принято называть началами или законами термодинамики. Эти законы представляют собой эмпирически найденные положения, которые не выводятся из других законов.
Термодинамика является научным фундаментом, основой, на которой строится современная инженерная теория тепловых двигателей, в том числе авиационных двигателей, ракетных двигателей и энергетических систем. Современные тепловые расчеты всех двигателей целиком основываются на положениях технической термодинамики и дают возможность определить основные параметры и экономичность различных типов тепловых двигателей.
В связи с определяющей
ролью энергетики в развитии
народного хозяйства нашей
Раздел 1. Становление термодинамики
В XVIII веке считалось, что одно тело теплее другого потому, что содержит больше теплорода – невесомого вещества, создающего ощущение тепла. Считалось также, что теплород нельзя ни создать, ни уничтожить – он только переходит от одних тел к другим, вызывая охлаждение первых и нагревание вторых. Однако в 1798 г. министр внутренних дел Баварии, граф Б.Румфорд проделал опыт, оставивший теорию теплорода лишь в пыли библиотек.
В те времена пушки изготавливали так. Из расплавленного металла отливали пушечные стволы, не оставляя внутри них канала для ядер. Его высверливали позже – при помощи огромных сверлильных станков, приводившихся в движение лошадьми. Румфорд заметил, что во время сверления стволы очень сильно нагревались. Он предположил, что причина нагревания – трение сверла о пушечный ствол, то есть совершение механической работы.
Для проверки этой гипотезы (предположения) ствол был помещен в бочку с водой, а для увеличения силы трения использовалось тупое сверло, приводимое во вращение парой лошадей мюнхенского цейхгауза. Спустя два с половиной часа, к величайшему изумлению свидетелей этого грандиозного опыта, вода в бочке закипела! ( см. прил. А.1)
Из опыта следовало два вывода: либо теплород можно "изготавливать" в неограниченных количествах (и это приведет к переделке всей теории теплорода), либо нагревание тел объясняется совсем иными причинами, а теплорода не существует вообще.
Опыт Румфорда показал, что
при совершении работы силой трения
всегда возникает некоторое количество
теплоты. Поскольку в то время
и работу, и количество теплоты
уже умели измерять, то возникали
несколько вопросов. Первый. Если совершать
по 1 Дж работы над различными веществами
(например, сталью, медью, водой и
т.д.) одинаковое ли количество теплоты
выделяется при этом? Второй вопрос.
Если одинаковое – то сколько именно?
Если же разное, то от каких причин это
зависит? Были и другие вопросы. Поэтому
для дальнейшего развития теории
тепловых явлений потребовались
новые экспериментальные
Спустя полвека на арену научной деятельности выходит соотечественник Румфорда, манчестерский пивовар Д.Джоуль. Его экспериментальной установкой стал калориметр с погруженной в него мешалкой, которая приводилась во вращение опускавшейся гирей (см. прил. А.2). Трение лопастей мешалки о воду или ртуть, которыми заполнялся калориметр, приводило к их нагреванию.
Сила тяжести, опускавшая гирю, совершала над ней работу A = Fтl = mgh. Возникавшее при трении количество теплоты подсчитывали по основной калориметрической формуле: Q=cmDt. Опыт повторяли при различных условиях: изменяли количество воды, заменяли ее ртутью, меняли массу гири, высоту ее поднятия, диаметр валика, с которого сматывалась нить и т. д.
Заметим, что в XIX веке и работу, и количество теплоты измеряли не "джоулями", как сегодня, а другими единицами. Несмотря на это, вывод Джоуля остается справедливым: при различных явлениях, в которых совершается работа и выделяется теплота, совершение 1 Дж работы всегда приводит к возникновению 1 Дж теплоты. Этот фундаментальный вывод лег в основу термодинамики – новой теории тепловых явлений. С тех пор она существенно расширилась и превратилась в теорию о превращениях работы, теплоты и энергии вообще – химической, электрической, ядерной и т.д. В таком виде термодинамика существует и по сей день.
Раздел 2. Развитие термодинамики. Формирование представлений о превращении энергии
До возникновения
Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена была исследовать физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Однако она не анализирует внутреннее строение термодинамических систем, как это делает статистическая физика, рассматривающая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул.
Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Самым очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, например, что тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы. Не менее известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот [1, 14].
Термодинамика рассматривает
системы, между которыми возможен обмен
энергией, без учета микроскопического
строения тел, составляющих систему, и
характеристик отдельных
Таким образом, при исследовании тепловых явлений выделились два научных направления:
1. Термодинамика, изучающая
тепловые процессы без учета
молекулярного строения
2. Молекулярно-кинетическая теория (развитие кинетической теории вещества в противовес теории теплорода) [1, 19].
В 18 в. были изобретены паровые насосы, а затем паровые машины. В начале 19 века появились пароходы, началось строительство железных дорог. Широкое применение пара выдвинуло на первый план исследования тепловых явлений, поиск путей повышения эффективности паровых машин. Возникла и стала быстро развиваться термодинамика. Процесс ее развития был фактически процессом интеграции знаний. Если в начале века только что родившаяся термодинамика выступала как механическая теория теплоты, то на склоне века она представляла собой весьма общую теорию, выходящую собственно за рамки тепловых явлений, прикладываемую ко всем физическим и химическим процессам, происходящим в веществе, в различных системах. Важным достижением на пути этого процесса интеграции знаний было открытие фундаментального закона природы - закона сохранения и превращения энергии.
Основатель термодинамики
С. Карно в своем труде "Размышления
о движущей силе огня и о машинах,
способах развивать эту силу"
пишет: "Тепло - это не что иное,
как движущая сила, или вернее движение,
изменившее свой вид. Это движение частиц
тел. Таким образом, можно высказать
общее положение: движущая сила существует
в природе в неизменном количестве,
она никогда не создается, никогда
не уничтожается; в действительности
она меняет форму, т.е. вызывает то один
род движения, то другой ..." Чтобы
усмотреть здесь закон
Открытие закона сохранения
и превращения энергии обычно
связывают с именами Р. Майера,
Д. Джоуля, Г. Гельмгольца. Второе начало
термодинамики как некоторое
эмпирическое правило было впервые
сформулировано в 1850 г. Р. Клаузиусом и
в 1851 У.Томсоном (Клаузиус ввел понятия
внутренней энергии, а также величины,
названной "энтропией") [1, 23].
2.1. Первый закон термодинамики
На рис. 1( см. прил. Б) условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами.
Величина Q > 0, если тепловой
поток направлен в сторону
термодинамической системы. Величина
A > 0, если система совершает
Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, то есть изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем).
Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.
Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:
Изменение ΔU внутренней энергии
неизолированной
ΔU = Q – A (см. таблицу 1)
2.2. Второй закон термодинамики
На современном научном
языке второе начало термодинамики
звучит так: В необратимых процессах
полная энтропия системы всегда возрастает.
Клаузиус и Томсон пришли к фундаментальному
выводу, относящемуся к Вселенной
в целом. В действительности обратимых
процессов не бывает. Любое механическое
движение происходит с хотя бы с
малой долей превращения
В дальнейшем немецкий физик
Рудольф Клаузиус (1822—1888) использовал
для формулировки второго закона
термодинамики понятие
Энтропия замкнутой системы, т. е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией ни веществом, постоянно возрастает.
А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным [2, 47].
Поскольку об изменении систем в классической термодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии, то последняя и выступает в качестве своеобразной стрелы времени. В механических процессах ни о каком реальном времени говорить не приходится. Задав в них начальное состояние (координаты и импульсы), можно, согласно уравнениям движения, однозначно определить любое другое ее состояние в будущем или прошлом. Поэтому время в них выступает просто как параметр, знак которого можно менять на обратный, и таким образом вернуться к первоначальному состоянию системы. Ничего подобного не встречается в термодинамических процессах, которые являются необратимыми по своей природе.
Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в весьма своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток прошла система в своей эволюции.
Тепловые и механические процессы несхожи. Все явления, описываемые механикой Ньютона, - чисто механические явления - обратимы. Это значит, что законы механики не меняются при изменении знака времени, т.е. замены в формулах t на -t. В самом деле, второй закон Ньютона содержит ускорение (вторую производную от перемещения по времени), где время в квадрате.
Но что такое знак времени? Время течет из прошлого через настоящее в будущее. Возвращение назад не происходит. Действительность необратима. Человек рождается, растет, достигает зрелости, старится и умирает. Жизнь необратима. Если выразить математически, то в уравнение движения войдет сила трения, пропорциональная скорости, (скорость в первой степени и инвариантность по отношению к замене t на -t исчезает).
Если два тела с разными
температурами, находятся в контакте,
теплота перетекает от более нагретого
тела к менее нагретому. Температуры
выравниваются. Прошлое - разность температур,
будущее - равные температуры. Процесс
перехода теплоты от одного тела к
другому необратим. Невозможно самопроизвольно
разделение тела, находящегося при
определенной температуре, на две части
- горячую и холодную. Различие между
механическими и тепловыми
Раскрытие природы и смысла необратимых процессов стало одной из центральных проблем физики 19 века. И не только физики. Система, в которой протекают тепловые процессы, способна к необратимому развитию, т.е. к эволюции. Ясное понимание такой способности пришло в науку лет через тридцать после труда Карно, но было этим трудом подготовлено. В те же десятилетия строилась эволюционная теория в биологии, нашедшая свое выражение в "Происхождении видов" Чарльза Дарвина, опубликованном в 1859 г. Речь шла об эволюции, т.е. о необратимом развитии живой природы. Наиболее резкое противоречие в прошлом веке возникло между прежней физикой и эволюционной теорией Дарвина. Если, например, в механике все процессы представляются обратимыми, лишенными своей истории и развития, то теория Дарвина убедительно доказала, что новые виды растений и животных возникают в ходе эволюции в результате борьбы за существование. В этой борьбе выживают те организмы, которые оказываются лучше приспособленными к изменившимся условиям окружающей среды. Следовательно, в живой природе все процессы являются необратимыми. То же самое можно сказать в принципе и о социально-экономических, культурно-исторических и гуманитарных системах, хотя эволюция в природе происходит значительно медленнее, чем в обществе. Связи между биологией и физикой, вначале казавшиеся несуществующими, сыграли громадную роль в развитии науки.
В изолированных системах направление времени совпадает с направлением возрастания энтропии. К моменту зарождения термодинамики в естествознании господствовала механика Ньютона с обратимым временем, механика неразвивающегося мира. Времени в этом естествознании не было. Оно существовало в гуманитарных науках, прежде всего в истории. Время впервые появилось во втором начале термодинамики - возникло необратимое возрастание энтропии в самопроизвольных процессах. Но в остальном термодинамика была термостатикой - наукой о равновесиях и равновесных процессах.
2.3. Третий закон термодинамики
При стремлении температуры к абсолютному нулю, энтропия системы приближается к постоянному минимуму. Энтропия открыла путь от технологии (тепловые машины) к космологии (направление времени и судьба Вселенной). Он знаменовал переход от существующего к возникающему. Наступил век Дарвина - из биологии (а также гуманитарных наук) в физику вошли представления о развитии, о росте вероятности состояния физической системы. Первый этап термодинамики завершился построением статистической физики в трудах Больцмана и Гиббса. Энтропия стала мерой неупорядоченности системы, объективной характеристикой недостатка информации о системе [3, 64].
На втором этапе развития термодинамики наука обратилась к изучению открытых неравновесных систем, близких, однако, к равновесию. Это линейная термодинамика открытых систем создана трудами Онзагера, Пригожина и других наших современников. В этой науке зависимость от времени стала количественной. Неравновесная термодинамика не ограничивается констатацией возрастания энтропии в необратимых процессах, но вычисляет скорость этого возрастания - производную продукции энтропии по времени, т.е. функцию диссипации. Два основных положения линейной термодинамики существенны и нетривиальны. Во-первых, возможность существования открытой системы в стационарном неравновесном состоянии, в котором внутренняя продукция энтропии компенсируется ее оттоком из открытой системы. Во-вторых, сопряжение динамических процессов, благодаря которому в открытой системе процесс, невозможный в отсутствие сопряжения, так сам по себе он связан с понижением энтропии, реализуется за счет свободной энергии других, энтропийно выгодных процессов.
Классическая термодинамика оказалась неспособной решить и космологические проблемы характера процессов, происходящих во Вселенной. Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную предпринял один из основателей этой теории — Р. Клаузиус, выдвинувший два постулата:
• энергия Вселенной всегда постоянна;
• энтропия Вселенной всегда возрастает [3, 84].
Если принять второй постулат,
то необходимо признать, что все
процессы во Вселенной направлены в
сторону достижения состояния термодинамического
равновесия, соответствующего максимуму
энтропии, а следовательно, состояния,
характеризуемого наибольшей степенью
хаоса, беспорядка и дезорганизации.
В таком случае во Вселенной наступит
тепловая смерть и никакой полезной
работы в ней произвести будет
нельзя. Такие мрачные прогнозы встретили
критику со стороны ряда выдающихся
ученых и философов, но в середине
прошлого века было еще мало научных
аргументов для опровержения мнения
Р. Клаузиуса и обоснования
В последние десятилетия
наступил третий этап развития термодинамики
- возникла физика диссипативных систем,
физика неравновесных процессов. Открытые
системы способны творить порядок
из хаоса за счет экспорта энтропии,
ее оттока из открытой системы. Организм
питается отрицательной энтропией,
а не положительной энергией. Сформировалась
новая область физики - физика диссипативных
систем или синергетика (Хакен). Через
сто лет после "Происхождения
видов" Дарвина физика объединилась
с биологией в понимании
Термодинамика превратилась
в стройную феноменологическую теорию,
описывающую в самом общем
виде энергетические процессы в любых
системах; понятия, принципы, методы термодинамики
оказались поистине всеобъемлющими.
Заключение
Современная наука и синергетика
объясняют процесс
1. Система должна быть
открытой. Закрытая система в
соответствии с законами
2. Открытая система должна
быть достаточно далека от
точки термодинамического
3. Фундаментальным принципом
самоорганизации служит
4. Возникновение самоорганизации
опирается на положительную
5. Процессы самоорганизации,
как и переходы от одних
структур к другим, сопровождаются
нарушением симметрии. Так, мы
уже видели, что при описании
необратимых процессов
6. Самоорганизация может
начаться лишь в системах, обладающих
достаточным количеством
Можно сделать вывод, что
чем выше по эволюционной лестнице
система, тем более сложными и
многочисленными оказываются
Три закона термодинамики вместе с молекулярно-кинетической теорией составили основу термодинамики, сформировавшейся ныне в универсальную строго логическую научную дисциплину.
Определения и обозначения
Адиабатически изолированная система — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой энергией в форме теплоты.
Внешние силы - это силы, действующие на тело извне. Под влиянием внешних сил тело или начинает двигаться, если оно находилось в состоянии покоя, или изменяется скорость его движения, или направление движения. Внешние силы в большинстве случаев уравновешены другими силами и их влияние незаметно.
Внутренняя энергия - полная энергия этого тела за вычетом кинетической энергии тела как целого и потенциальной энергии тела во внешнем поле сил.
Механические системы - обладает
определённым числом k степеней свободы
и описывается с помощью
Обратимый процесс - равновесный тепловой процесс называется обратимым, если его можно провести обратно и в телах, окружающих систему, не останется никаких изменений.
Открытая система - система,
которая взаимодействует с
Равнове́сный тепловой процесс — тепловой процесс, в котором система проходит непрерывный ряд бесконечно близких равновесных термодинамических состояний
Изолированная система (замкнутая cистема) — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Молекулярно-кинетическая теория -
Тепловой процесс - изменение
макроскопического состояния
Тепловая энергия - форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или других частиц из которых состоит тело.
Термодинамика - раздел физики,
изучающий соотношения и

- История становления и развития экскурсионной деятельности
- История становления и развития экскурсионной деятельности
- История становления и развития эргономики и ее роль в создании безопасных условий труда
- История становления и современное состояние рынка маркетинговых исследований в России и за рубежом
- История становления и этапы развития балета в России
- История становления кибернетики
- История становления коммерческих банков в РК
- История становления и развития социологии
- История становления и развития социологии
- История становления и развития социологии
- История становления и развития социологии
- История становления и развития социологии
- История становления и развития социологии управления
- История становления и развития стандартизации и сертификации в России и за рубежом