Развитие взглядов на природу теплоты

Вопрос  №1.Развитие взглядов на природу теплоты.

Тепловыми явлениями ученые и философы начали интересоваться еще в древности. Однако ничего кроме самых общих  предположений об этих явлениях, носивших обычно самый фантастический характер, ни в древности, ни в средние века высказано не было. По-настоящему учение о тепловых явлениях начало развиваться  только в XVIII в. По-настоящему учение о  тепловых явлениях начало развиваться  только в XVIII в. после изобретения  первого теплоизмерительного прибора - термометра.

Широко  поддерживаемой среди физиков того времени была теория теплорода.

Румфорд сделал крупный шаг вперед, предположив, что теплота — это некое свойство самого вещества, а не что-то добавляемое к нему, он высказал предположение, что теплота это движение. Дэви был смелее Румфорда и высказал предположение, что теплота — это «своеобразное, вероятно, колебательное движение мельчайших частиц тел».,

Закон Дюлонга и Пти, согласно которому теплоемкость СV всех твердых тел при достаточно высокой температуре есть величина постоянная, не зависящая от температуры и составляющая около 3R 25 Дж/( моль К) - значение Дюлога-Пти, был выведен в 1818г.

В начале XIX в. была создана теория теплопроводности французским ученым Жаном Батистом Фурье (1768—1830). Итогом его исследований явилась монография «Аналитическая теория теплоты», вышедшая в свет в 1822г. Что же касается взглядов Фурье на природу теплоты, то признавал теорию теплорода.

Значимый  вклад в термодинамику внес Карно, его сочинения легли в основу термодинамики, также он ввел метод  циклов.Второе начало термодинамики было высказано Клаузиусом («Это предположение, выставленное мною в качестве принципа, — пишет Клаузиус в своем обобщающем труде, — встретило много возражений, и мне пришлось его неоднократно защищать».) и развито в трудах Томсона.

Дальнейшее  развитие теплофизики было бы невозможно без работ Больцмана, Максвелла, Гей-Люсака, Джоуля, Авогадро, Дальтона, Клапейрона, Берцелиуса, Бойля, Мариотта, Гассенди, Эндрюса, Ван-дер-Ваальса, Гесса и др.

Нельзя  объять необъятное, поэтому в своем реферате я остановлюсь подробно только на работах некоторых из этих ученых. 

1. Изобретение термометра.

     История изобретения термометра довольно длинная. Она начинается с изобретения  Галилеем прибора, который можно  назвать термоскопом. Прибор Галилея  состоял из тонкой стеклянной трубки, один конец которой заканчивался шариком Открытый конец трубки опускался  в сосуд с водой, которая заполняла  и часть трубки. Когда воздух в  шарике нагревался или охлаждался, столбик воды в трубке опускался  или поднимался. После Галилея  многие ученые конструировали подобного  рода при боры, постепенно совершенствуя их. Стеклянные трубки стали снабжать шкалой, возникло представление о существовании постоянных температурных точек и т. д. Однако первые термометры были еще очень несовершенны. В их конструкциях не было единообразия, каждый изобретатель выбирал свои основные температурные точки и шкалы. Сравнивать показания различных термометров было практически нельзя.

     Впервые практически пригодные термометры, дающие одинаковые показания, были изготовлены  голландским мастером - стеклодувомвом Фаренгейтом в начале XVIII в. Термометры Фаренгейта имел современный вид. Фаренгейт использовал спирт или ртуть. В его шкале, которая в последующем получила распространение, за одну основную температурную точку была выбрана температура смеси воды, льда и поваренной соли, равная 0°. За вторую температурную точку он взял температуру смеси льда и воды, которую принял за 32°. Температура человеческого тела по шкале Фаренгейта равна 96°. Эту температуру он принял за третью основную температурную точку. При такой шкале температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении оказалась равной 212°.

     Новый способ изготовления и калибровки термометров  предложил француз Реомюр в 1730 г. Он принял одну постоянную точку —  температуру таяния льда, а за один градус считал температуру, соответствующую  расширению спирта на одну тысячную долю своего объема. Определяя затем температуру  кипения воды, он получил ее равной 80°. Эта шкала температур: 0° —  температура таяния льда и 80° —  температура кипения воды при  нормальном атмосферном давлении —  стала называться шкалой Реомюра.

     В 1742 г. шведский астроном Цельсий предложил  стоградусную шкалу температур, по которой за 0° принималась температура  кипения воды, а за 100° — температура  таяния льда. Современная стоградусная шкала, носящая название шкалы Цельсия, была введена несколько позже. В XVIII в. предлагались и другие температурные  шкалы, но они не удержались в процессе развития термометрии, Интересно отметить, что появление и усовершенствование термометра в значительной степени  было обусловлено его применением  для метеорологичеких исследований Первоначально термометр вместе с барометром и гигрометром часто рассматривали как метеорологический прибор. Так, например, в «Экспериментальной физике» X. Вольфа описание термометра помещено в части, носящей Название «Об опытах и наблюдениях около перемен атмосферы». Термометр, конечно, нашел и другие применения. Его стали использовать в быту, медицине, для физических исследований и т. д. Однако еще в 70-х годах в немецком изданий «Элементов химии» Бургаве автор писал, I что термометр «является, как известно физико-математическим прибором, принадлежащим к аэрометрии». (Изобретение термометра дало возможность заняться количественными исследованиями тепловых явлений.)

     Вплоть  до середины XIX столетия многие считали  теплоту своего рода материальной субстанцией, добавляемой к веществу: считалось, что нагревание тела связано с  добавлением этой субстанции, известной  под названием теплорода. Дальтон  в 1802 г. рисовал схематическое изображение  атомов, окружая их атмосферой из теплоты. Хотя это было примитивное представление, его можно было подтвердить экспериментально; на нем основывается составление  уравнений теплового баланса. Карно (1796—1832), трактат которого «О движущей силе огня» до сих пор образует одну из основ физической науки, верил  в теплород, хотя впоследствии пересмотрел  свои представления. Родственным теплороду  был флогистон; как полагали, он представляет собой субстанцию, отдаваемую веществом  в процессе горения. Флогистон в  отличие от теплорода можно было измерять, но возникла трудность, заключавшаяся  в том, что вес флогистона оказывался то отрицательным, то положительным. Теория флогистона была явно противоречивой и продолжала существовать только потому, что никто не мог придумать  ничего лучшего. 
 
 

     2. Опыты Румфорда и Дэви, Блэка. Идеи Рихмана.

     Первый  шаг сделал Румфорд (1753—1814) в конце XVIII столетия. Идея опыта возникла опять-таки из самого обычного наблюдения, которое, наверное, делали многие до Румфорда, но не придавали ему особого значения. Речь идет о теплоте, возникающей при сверлении отверстия в куске металла. Румфорд, в частности, занимался сверлением пушечных стволов в военной мастерской в Мюнхене и заметил, что температура металла очень сильно повышается. Откуда бралась теплота? Источников теплорода, очевидно, не было.

     Одно  из предположений заключалось в  том, что мелкие металлические стружки, образующиеся при сверлении, обладали меньшим сродством к теплороду, чем массивный металл, в котором  сверлили отверстие. Таким образом, при сверлении металла выделяется теплород, в результате чего происходит повышение температуры. Румфорд придумал простой способ проверить это предположение. Если взять тупое сверло, рассуждал он, то стружек образуется мало и повышение температуры должно быть меньше. Румфорд проделал опыт: температура поднялась еще выше. Очевидно, теория теплорода не годилась.

     Румфорд вспомнил более ранние теории Бойля и других ученых, согласно которым теплота связана с колебаниями частиц. Дальнейшие опыты убедили его в том, что теплота может создаваться без ограничений, и в конечном счете он высказал смелое утверждение, что «теплота есть ДВИЖЕНИЕ» (это слово выделил сам Румфорд).

     Это утверждение часто приводят как  свидетельство большой проницательности Румфорда. Может быть, это и так, но оно свидетельствует также о большой осторожности. Какого рода движение представляет собой теплота? Как оно получается? Что происходит с этим движением, когда тело остывает? Ни одного из этих вопросов Румфорд не поставил и, естественно, не дал на них ответа.

     Но  Румфорд сделал крупный шаг вперед, предположив, что теплота — это некое свойство самого вещества, а не что-то добавляемое к нему.

     Дэви (1778—1829) произвел в Лондоне опыт, условия которого были в большей степени подчинены воле экспериментатора. Он сложил вместе два куска льда, поместил их в сосуд, из которого был выкачан воздух, и привел их но взаимное трение при помощи часового механизма. Выделилось достаточное количество тепла, чтобы расплавить часть льда, и эта теплота не могла взяться из теплорода воздуха.

     Так был сделан первый важнейший шаг: было установлено, что теплота есть форма кинетической энергии. Следующий  необходимый шаг состоял в  том, чтобы выяснить, существует ли какое-нибудь количественное соотношение  между теплотой и механической энергией. Для проведения таких исследований требовалось, однако, значительно больше информации. Нужно было знать тепловые свойства материалов, в частности  знать, насколько повышается температура  различных материалов при подведении к ним тепла. Это свойство выражается так называемой удельной теплоемкостью  — количеством тепла, которое  требуется, чтобы повысить температуру единицы массы на один градус.

     Исследования  по калориметрии начались еще тогда, когда не было выяснено, что теплота  имеет две меры: температуру и  количество теплоты, еще не существовало понятие теплоемкости и т. д. Именно в процессе развития прежде всего калориметрических исследований и сформировались эти основные понятия теплофизики. Первые исследования по калориметрии, давшие существенные результаты, принадлежат петербургскому академику Георгу Рихману (1711 — 1753). В 1744 г. Рихман установил формулу для температуры смеси. Он полагал как само собой разумеющееся, что если теплота, распределенная в какой-либо массе жидкости, затем распределяется в такой же жидкости, имеющей массу в k раз большую, то температура при этом уменьшается в k раз. Из этого предположения следует, что если имеется масса m жидкости, в которой распределена теплота температуры t, а затем эта же теплота распределяется в массе т' такой же жидкости, то температура последней равна:

     V = mt/ т'.

     Хотя  Рихман уже интуитивно чувствует, что для тепловых явлений следует различать две величины — температуру и количество теплоты, тем не менее он еще не разделяет их. Рихман использовал термин «теплота» и в смысле температуры, и в смысле количества теплоты, хотя употреблял и термин «температура».

     Вопрос  о распределении теплоты между  неоднородными телами был более  сложным. Опыты по определению температуры  смеси двух разных жидкостей проводились  еще до исследования Рихма на.

     Так, например, Бургаве измерял температуру смеси воды и ртути, имеющих первоначально разные температуры. Но как в общем случае распределяется теплота при тепловом контакте различных тел, было еше не ясно. Высказывались некоторые догадки, предполагалось, что теплота распределяется равномерно объему. Однако вскоре выяснилось, что этот вопрос решается так просто. Исследования привели к возникновению понятия удельной теплоемкости и выявили, что эта величина не имеет простой связи ни с каким свойством того или иного вещества. Были измерены удельные теплоемкости ряда веществ.

     Первые  измерения удельной теплоемкости произвел Блэк (1728—1799); его работа опередила эксперименты Румфорда и Дэви, но так как Блэк излагал свои идеи главным образом на лекциях, они были полностью опубликованы лишь после его смерти. Дэви был смелее Румфорда и высказал предположение, что теплота — это «своеобразное, вероятно, колебательное движение мельчайших частиц тел». Его ответ был правильным. Насколько редко встречаются такие люди! Блэк со своим сотрудником Мартином налил равные объемы воды и ртути в одинаковые сосуды, поместил их на равных расстояниях от огня и наблюдал за скоростью повышения температуры воды и ртути. Блэк был в полной уверенности, что температура ртути будет повышаться медленнее, чем воды, так как масса ртути в 13,5 раза больше. Представьте себе его удивление, когда он увидел, что температура ртути повышалась вдвое быстрее. Блэк обнаружил, что ртуть имеет малую удельную теплоемкость — примерно 1/27, или 0,037 удельной теплоемкости воды; как мы теперь знаем, это значение равно 0,033.

     Важным  было открытие теплоты плавления. Оно  было сделано английским ученым Джозефом Блэком (1728—1799). Еще в 50-х годах он установил, что если взять определенную массу льда при температуре его плавления и такую же массу воды при температуре примерно 80°С, то в результате смешивания весь лед растает, а температура воды станет равной первоначальной температуре льда (т. е. 0°С). Отсюда он сделал вывод, что на процесс таяния льда затрачивается определенное количество теплоты, хотя температура его при этом не изменяется. Теплота поглощается водой, образовав шейся из льда. Эта теплота была названа Блэком «скрытой теплотой». Блэк также открыл существование «скрытой теплоты парообразования». 

     Проводились исследования распределения теплоты  между телами из различных веществ при тепловом контакте. В результате воз никло понятие о теплоемкости и удельной теплоемкости. Были проведены измерения удельных теплоемкостей ряда твердых и жидких тел. При этом совершенствовалась техника калориметрических исследований, были сконструированы простейшие калориметры Постепенно выяснялся и вопрос о мерах теплоты и о различии понятий температуры и количества теплоты. Блэк уже в 1753 г. в своих лекциях специально подчеркивал:

     «Когда  мы говорим о распределении теплоты, всегда нужно различать количество теплоты и силу теплоты и не смешивать эти две величины» 

     Развитие  калориметрических исследований было связано с представлением о сохранении количества теплоты при ее распределении  между телами (это представление  использовали и при исследовании теплопроводности). Постепенно физики и химики привыкали пользоваться уравнением теплового баланса, на основе которого производятся все калориметрические  расчеты. Уравнение теплового баланса  для простейшего случая использовал  уже Рихман. В более общей форме им пользовался Блэк. Обсуждая опыт смешения одинаковых масс ртути и воды, Блэк писал:

     «...когда  нагретую ртуть смешивают с нагретой водой, то температура смеси падает до 120° вместо 125° (125° — средняя  температура; вода берется при температуре 100°, а ртуть при температуре 150°  Фаренгейта). Ртуть, таким образом, охлаждается  на 30°, а вода нагревается на 20°, однако количество теплоты, которое получила вода» равно количеству теплоты, которое потеряла ртуть».

     Можно считать, что к 80-м годам XVIII в. сложились  основные понятия учения о теплоте. В вышедшем в 1783 г. сочинении «Мемуар о теплоте» французских ученых Антуана Лавуазье (1743—1794) и Пьера Лапласа (1749—1827), подводящем как бы итог развития учения о теплоте, понятия температуры, количества теплоты, теплоемкости и т. д. считаются уже установленными.

     Исследуются явления передачи теплоты, которые  также играли важную роль в установлении основных понятий учения о теплоте. В работе 1701 г., посвященной вопросам теплоты, Ньютон установил закон  охлаждения тел:

     «Теплота, которую нагретое железо сообщает в  заданное время смежным с ним  холодным телам, т. е. теплота, которую  железо утрачивает в продолжении заданного времени, пропорциональна всей теплоте железа; поэтому, если времена охлаждения принимать равными, то теплоты будут в геометрической прогрессии» .

     3. Опыты Дюлонга  и Пти. 

     К 1819 г. двое французов, Пти (1791—1820) и Дюлонг (1785—1838), собрали достаточно данных, чтобы сделать общий вывод: удельные теплоемкости химических элементов — не случайные величины, а связаны простым образом с атомными весами элементов.

     Некоторые ученые смотрели свысока на процесс  сбора эмпирических данных, который  Резерфорд позднее назвал «коллекционированием марок». Эта работа в сущности подходит для тех, кто не обладает творческим умом, но может научиться методам исследования и имеет достаточное терпение, чтобы тщательно выполнять эксперименты. Может быть, это, так сказать, научная деятельность «второго порядка», но она тем не менее играет огромную роль в развитии науки. Сказанное относится и к работе Пти и Дюлонга, которые поставили перед собой задачу измерить удельные теплоемкости как можно большего числа твердых химических элементов.

     Метод Пти и Дюлонга был основан на измерении скорости охлаждения веществ. Если некоторые количества вещества поместить в одинаковые сосуды и нагреть, то скорость последующей потери ими тепла должна зависеть только от превышения температуры нагретого вещества над температурой окружающей среды. Поэтому, сравнивая скорости изменения температуры различных веществ, можно сопоставлять их удельные теплоемкости. Следует отметить, что в этом методе можно не принимать во внимание закон охлаждения Ньютона — одно из полученных им не очень известных соотношений,— пока сопоставляются скорости охлаждения двух тел от одной и той же температуры.

     Результаты  экспериментов Пти и Дюлонга обнаружили такую закономерность: чем тяжелее элемент, тем меньше его удельная теплоемкость. В настоящее время понятие атома прочно заняло свое место в системе наших знаний и разработаны методы измерения атомных весов, гораздо более точные, чем те, которыми пользовался Дальтон. Поскольку плотность возрастает в той или иной степени вместе с атомным номером, Дюлонг и Пти попробовали помножить удельную теплоемкость на атомный вес и обнаружили замечательное постоянство их произведения, как показывает приводимая ниже табл. 2. Атомные веса в ней взяты по отношению к атомному весу кислорода, принятому за единицу. Если считать атомный вес кислорода равным 16, как принято в настоящее время, то произведение, о котором идет речь, примет известное значение 6,0, называемое «атомной теплоемкостью».

     Пти и Дюлонг считали, что при более точных измерениях произведение атомного веса на удельную теплоемкость — атомная теплоемкость — должно быть в точности постоянным. Они были бы разочарованы, если бы взяли для своих исследований такие элементы (как, например, углерод), у которых атомная теплоемкость значительно меньше. Это расхождение получило объяснение. Дело в том, что принцип Больцмана справедлив, если только энергия непрерывна. Как бы ни были малы количества энергии, этот принцип требует, чтобы энергия могла делиться между несколькими степенями свободы.

     Закономерность, которую нашли Пти и Дюлонг проверялась более точными современными калориметрическими методами; ей подчиняется большинство химических элементов (закон, согласно которому теплоемкость СV всех твердых тел при достаточно высокой температуре есть величина постоянная, не зависящая от температуры и составляющая около 3R 25 Дж/( моль К) - значение Дюлога-Пти, т.е. при нагревании любого вещества на 1К каждый атом поглощает одинаковое количество энергии 3kB . В классической модели твердого тела это объясняется как сумма кинетической энергии, по kBТ/2 на каждую степень свободы (равнораспределение), и потенциальной энергии, равной кинетической. Т.е. энергия 1 моля вещества - U = 3NakBT, а его теплоемкость - СV = ( U/ T)V = 3NakB = 3R, в полном соответствии с законом Дюлонга - Пти). Пти и Дюлонг вывели также общую формулу скорости охлаждения тел и изобрели катетометр. 
 
 
 
 
 

     4. Исследования Фурье.

     Дальнейшие  исследования передачи теплоты показали, что этот процесс осуществляется различными способами, имеющими разную физическую природу. Возникли два самостоятельных направления: изучение теплопроводности и теплового излучения, В изучении теплового излучения в XVIII в. были сделаны только самые первые шаги, что же касается вопроса теплопроводности, то во второй половине XVIII в. начали проводить теоретические и экспериментальные исследования этого явления, а в начале XIX в. была создана теория теплопроводности французским ученым Жаном Батистом Фурье (1768—1830). Итогом его исследований явилась монография «Аналитическая теория теплоты», вышедшая в свет в 1822 г.

     Первая  попытка теоретического анализа  явлений теплопроводности была основана на прямом применении закона охлаждения Ньютона. Однако при этом возникли трудности. Закон охлаждения, если можно так  сказать, интегральный закон, а для  теории теплопроводности было необходимо установить соответствующий дифференциальный закон. Если рассматривать поток  тепла вдоль стержня, то для того, чтобы составить соответствующее  дифференциальное уравнение, нужно  рассматривать бесконечно близкие  слои в этом стержне. Но разность температур между такими слоями также бесконечно мала и непосредственное применение закона охлаждение Ньютона приводит к выводу, что и поток теплоты  от слоя к слою также должен быть бесконечно малой величиной. Таким  образом, приходим к нелепому результату, равноценному утверждению, что тело не может ни нагреваться, ни охлаждаться  за конечный промежуток времени. Фурье  разрешил эту трудность, установив, что поток тепла пропорционален не просто разности температур, а разности отнесенной к единице длины, т. е., говоря современным языком, градиенту  температуры. Он установил основной закон теплопроводности. k — коэффициент  теплопроводности, зависящий от свойств  теплопередающей среды. Этот коэффициент  Фурье определяет как «количество  теплоты, которое протекает в  однородном твердом теле, ограниченном двумя бесконечными параллельными  плоскостями, в течение одной  минуты через площадку в один квадратный метр, параллельную пограничным плоскостям (находящимся на расстоянии, равном единице), когда эти плоскости  поддерживаются при температурах: одна при температуре кипения: воды, другая — тающего льда». 

     Чтобы получить общее уравнение теплопроводности, Фурье при меняет найденный закон к бесконечно малым элементам в тепло-проводящей среде, устанавливая при этом связь между изменением содержания теплоты в ней и изменением температуры. Фурье, решая задачи по теплопроводности, разработал метод разложения функций в тригонометрические ряды, получившие название рядов Фурье. Он полагал, что довел теорию теплоты до того состояния, до которого развил механику Лагранж, поэтому по аналогии с «Аналитической механикой» Лагранжа Фурье назвал свою книгу «Аналитической теорией теплоты». Что же касается взглядов на природу теплоты, то Фурье признавал теорию теплорода. 

     5. Работы Сади Карно.

     Эту же теорию разделял и другой замечательный  ученый, военный инженер Сади Карно (1796-1832). Сади Никола Леонард Карно был старшим сыном знаменитого «организатора победы» французской революции Лазаря Карно. Сади родился 1 июня 1796 г. В 1812 г. он поступил в Политехническую школу и окончил ее военным инженером в 1814 г. Наполеон к этому времени был разгромлен и сослан на остров Святой Елены. Отец Сади был осужден, и военная карьера самого Карно была сомнительной. Спустя три года после окончания школы он сдал экзамен и с чином поручика перешел в главный штаб, занимаясь в основном наукой, музыкой и спортом. В 1824 г. был издан его главный труд «Размышления о движущей силе огня». Через четыре года Карно вышел в отставку в чине капитана. Умер он 24 августа 1832 г. от холеры. «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 удобным и 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 XX 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 Ныокомена 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, приложимые 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 термодинамики. Карно ввел в термодинамику метод  циклов. Цикл Карно описывается сегодня  во всех учебниках физики. В них  он сопровождается диаграммой процесса и расчетами для идеального газа, которых нет у Карно. Диаграмма  и расчеты были даны в 1834 г. Клапейроном, который повторил работу Карно.

     Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (1799— 1864), французский академик и инженер, был в 1820-1830 гг. профессором Петербургского института инженеров путей сообщения. В 1854 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 следующим  образом: «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно  определяется температурами тел, между  которыми в конечном счете происходит перенос теплорода». 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.Томсона 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, т. е. имеет правильный порядок величины. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Вопрос  №2.Первое начало термодинамики. Закон сохранения и превращения  энергии.

     Зако́н сохране́ния эне́ргии — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую.

     С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы. Другими  словами, для каждой конкретной замкнутой  системы, вне зависимости от её природы  можно определить некую величину, называемую энергией, которая будет  сохраняться во времени. При этом выполнение этого закона сохранения в каждой конкретно взятой системе  обосновывается подчинением этой системы  своим специфическим законам  динамики, вообще говоря различающимся для разных систем.