 |
История развития термодинамики
|
|
|
|
Введение
В настоящее время быстрыми темпами развиваются многие науки, в том числе и физика. Создается множество технических устройств и приборов, находящих своё применение в различных областях. Современными техническими средствами, к которым можно отнести компьютеры, мобильные телефоны, телевизоры, бытовую технику и т.д., пользуются практически все слои населения от школьников до людей пенсионного возраста. Появление новых технических устройств в первую очередь связано с развитием такого направления в физики как нанотехнологии и наноинженерия. Но это направление не развивается само по себе, его развитие идет за счет открытий и исследований, проводимых в других областях физики, например в термодинамики, квантовой физике и т.д. Сейчас наука не стоит на месте, физическая теория развивается во всех своих направлениях. Я для своего дальнейшего образования и для дальнейшей научной деятельности выбрала такой раздел физики как термодинамика. Тема моего исследования «Диаграммы рабочего процесса при изменении массы рабочего тела». Перед тем как начать писать работу целесообразно вникнуть и разобраться в основных понятиях и законах термодинамики, познакомиться с историей развития данного направления физической науки, ознакомится с методами применяемыми в этой отрасли физики. Тема этого реферата «Особенности методологии изменения массы рабочего тела», она непосредственно связана с темой моего будущего исследования. Также при работе над данным рефератом я остановлюсь на рассмотрении методов, истории и современных проблем термодинамики, что поможет мне в дальнейшем, когда я перейду непосредственно к самому исследованию.
|
|
|
Глава I. Исторические аспекты термодинамики
Основные понятия термодинамики
Термодинамика - один из разделов физики, изучающий закономерности взаимных превращений различных видов энергии. В классической термодинамики не рассматривается поведение и свойства отдельных молекул. Объектом изучения являются тела, которые состоят из большого числа атомов и молекул (материальных частиц), то есть макроскопические тела. А также «термодинамика включает в себя основы работы тепловых машин и позволяет оценить эффективность их рабочих процессов». «Предметом изучения термодинамики являются процессы в энергомашинах, агрегатные превращения веществ, физико-химические, плазменные и другие процессы».
В термодинамике используется такой термин как термодинамическая система, как правило, это и есть тела, состоящие из очень большого количества частиц. Термодинамические системы - тела, обменивающиеся между собой и окружающей их средой энергией и массой.
Система не обменивающаяся с окружающей средой массой (веществом) является закрытой. Такая система всегда переходит в равновесное состояние и не может самопроизвольно выйти из него. «Переход системы в равновесное состояние называют процессом релаксации». Примером закрытой (изолированной) системы является цилиндр с поршнем. Если системы обмениваются веществом с окружающей средой, то они называются открытыми, к ним относятся реактивные двигатели, сопло, вентиляционные шахты и т.д. «Открытая система (то есть способная черпать энергию извне) может поддерживать себя и тем самым становиться все более сложной. Поэтому отдельные части мироздания могут «разогреваться», тогда как Вселенная в целом, по определению являющаяся закрытой системой, «охлаждается»».
Вещество, при помощи которого осуществляется процесс преобразования энергии в различных тепловых машинах, называется рабочим телом. Или можем встретить иное определение рабочего тела - это «любая среда, которая используется для преобразования энергии». «Для измерения количества рабочего тела используют моли или киломоли. Киломоль - это количество вещества, масса которого в килограммах численно равна его относительному молекулярному весу. Масса одного киломоля вещества называется молярной массой этого вещества». Рабочим телом могут быть вещества находящиеся в жидком, газообразном или твердом состоянии.
|
|
|
В практической деятельности мы можем увидеть следующие примеры рабочих тел:
) рабочее тело теплового двигателя - это продукт сгорания углеводородного топлива (бензин, дизельное топливо и т.п.) или водяной пар.
) рабочее тело в холодильных машинах - фреон, аммиак, гелий, водород, азот.
) «рабочее тело в лазерной технике - оптический элемент лазера».
) «рабочее тело электрического ракетного двигателя - ионизированной расходуемое вещество».
Состояние, в котором находится рабочее тело, то есть «определить форму бытия системы» можно с помощью ряда параметров. Параметры состояния подразделяются на микроскопические и макроскопические параметры. «К микроскопическим параметрам относятся координаты и импульсы всех частиц составляющих систему. Макроскопические параметры - давление, температура, объем и др.». Также параметры характеризующие состояние систему можно подразделить на внешние и внутренние. «Величины, определяемые положением не входящих в систему внешних тел, называются внешними параметрами». К ним можно отнести объём системы, так как он определяется расположением внешних тел, и напряженность силового поля, которая зависит от положения источников поля - зарядов и токов, не входящих в исследуемую систему. Внешний параметр - это функция координат внешних тел. «Величины, определяемые совокупным движением и распределением в пространстве входящих в систему частиц, называются внутренними параметрам.
Плотность, давление, энергия, поляризованность, намагниченность и др. являются примером внутренних параметров, так как их значения зависят от движения и положения частиц системы и входящих в них зарядов». Внутренние параметры можно разделить на экстенсивные и интенсивные. «Экстенсивные параметры характеризуют систему как целое, а интенсивные могут принимать определенные значения в каждой точке системы». К интенсивным параметрам относятся - давление, температура, а к экстенсивным- энергия, энтропия.
|
|
|
История развития термодинамики
Начало развития научных знаний о мире и окружающей нас действительности относится ещё к древнегреческим ученым, которые внесли важный вклад в развитие науки в целом и отдельных дисциплин в частности.
История развития отдельных научных направлений и науки в целом играет немаловажную роль в формировании научного мировоззрения.
«Выдающийся французский физик Поль Ланжевен говорил:
«Ничто так не способствует общему развитию и формированию сознания, как знакомство с историей творческих усилий человечества в области науки, оживающих в жизнеописаниях великих ученых прошлого и в истории эволюции идей.»».
Во второй половине 19 века, наука продвинулась уже далеко вперед в своём развитии и основывалась на фундаментальных знаниях. Некоторые ученые полагали, что в мире практически всё открыто, так как теория эволюции Дарвина и физика Ньютона являются надёжной базой для ответа на любой вопрос, разработанная А. Эйнштейном теория относительности, показала ограниченность ньютоновской физики. Примерно в этот же период времени и начинает бурно развиваться термодинамика и статистическая физика.
«Термодинамика явилась ареной острой идеологической борьбы». Дискуссии, которые возникали между сторонниками теории теплорода и молекулярно - кинетической теории, можно принять за начало развития термодинамики. «Теория теплорода основывалась на метафизической концепции невесомых флюидов, а молекулярная теория отражала физическую реальность. В 19 веке возникли такие идеалистические философские концепции как механицизм и энергетизм, сторонники которых вели непримиримую борьбу против последователей атомистического мировоззрения».
Ученые и философы с древнейших времен интересовались тепловыми явлениями, но кроме общих представлений, которые в большинстве случаев носили фантастический характер, ничего высказано не было. После изобретения первого термометра, это примерно 18 век, и начало развиваться учение о тепловых явлениях. С этого времени начинаются количественные тепловые измерения, которые доведены до высокой степени точности в опытах Лавуазье и Лапласа. «Однако основные количественные понятия теплофизики выкристаллизовались не сразу, существовала немалая путаница в таких понятиях, как «количество теплоты», «степень теплоты», «градус теплоты»».
|
|
|
Изначально господствовало два взгляда на теорию теплоты. Первая теория, её придерживался Блэк- теория особой тепловой жидкости (теория теплорода). Вторая концепция рассматривала теплоту как движение «нечувствительных частиц», сторонником этой точки зрения был Ломоносов.
Исследованием теплоты занимались не только физики, но и известные философы, такие как Бэкон и Декарт. Бэкон утверждал, что «тепло есть движение распространения, затрудненное и происходящее в малых частях». Декарт пришел к выводу, что «тело пламени... составлено из мельчайших частиц, очень быстро и бурно движущихся отдельно одна от другой», «только это движение в зависимости от различных производимых им действий называется то теплом, то светом».
В 18 веке, физику определяли, как науку о всём том, что можно познать через опыт, то есть в физике того времени господствовал экспериментальный метод. В 19 веке картина начала изменяться, про эксперименты и опыты никто не забывал, но помимо экспериментальной базы, физика стала дополняться теоретической системой (математикой). Ученые старались объяснить окружающий мир с помощью математических доказательств.
В первой четверти 19 века, были сделаны два крупных открытия теоретического характера. Первое исследование было произведено Жан Батистом Фурье. «Его работа «Аналитическая теория тепла» содержала математическую теорию теплопроводности». Вторая работа теоретического характера была выполнена Сади Карно его труд «Размышления о движущей силе огня». Работа стала началом термодинамики, им был введен в термодинамику метод циклов. Карно удалось сформулировать общий метод решения задачи - термодинамический метод, к этому способу он пришел, отталкиваясь от задачи подсказанной практикой.
Следующим шагом в развитии физики тепловых процессов был закон сохранения и превращения энергии. Всё большее внимание ученые уделяли изучению процессов превращения теплоты в работу, возникали и развивались идеи о взаимопревращаемости сил природы друг в друга. Исследованием эквивалентности теплоты и работы, а также законом сохранения и превращения энергии занимались такие ученые как Майер, Джоуль, Ленц. Майер и Джоуль пришли к открытию эквивалентности теплоты и работы независимо друг от друга, Джоулю и Ленцу удалось открыть закон сохранения и превращения энергии, также вне зависимости друг от друга и практически одновременно.
|
|
|
Следующий шаг в развитии термодинамики, является открытие второго начала термодинамики. Второе начало было сформулировано несколькими учеными, которые сделали это самостоятельно независимо друг от друга.
Второе начало термодинамики, сформулированное Клаузиусомв в 1850 году, звучит следующим образом: «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому не может происходить без компенсации»,
Томсон(1851 год): «невозможно получать при помощи неодушевленной материи работу от какой-либо части материи, охлаждая ее ниже температуры наиболее холодного из окружающих тел. Он признал, что этот постулат лишь по форме отличается от постулата Клаузиуса».
Шиллер: «При обратимом адиабатном процессе каждый термический параметр рассматриваемого тела должен принять свое первоначальное значение, когда все остальные термические параметры тоже приходят к своим начальным значениям».
Когда было признано, что теплота это движение, науке необходимо было исследовать характер этого движения. В ходе решения поставленной проблемы возникла и начала развиваться кинетическая теория газов, далее эта теория превратилась в новую область физической науки - статистическую физику. термодинамика субстанция синергетика взаимодействие
В 17-18 веках широко использовалось атомистическое представление о строение вещества. Во второй половине 18 века атомистическую гипотезу перестают использовать, в начале 19 века вновь возвращаются к этой гипотезе.
Дальтон, руководствуясь атомистической гипотезой, вывел закон кратных отношений. Он исследовал смеси газов и паров, на основании этого ввел закон независимости парциальных давлений компонентов смеси, установил закон теплового расширения газов. Им было введено в химию понятие атомного веса, также он первым составил таблицу атомных весов и ввел химическую символику.
Клаузиусом была разработана модель идеального газа, он рассматривал теплоту как движение атомов и молекул. В газе молекулы участвуют в поступательном, вращательном движении, а также могут обладать внутренним движением- движением частей молекулы. Им была выведена формула для определения давления, оказываемого молекулами на стенки сосуда. Им были рассмотрены такие явления как кипение, конденсация газов, он указывал на возможность подсчета скорости газовых молекул какого-либо газа при данной температуре и сам произвел такой расчет.
Работа Максвелла «Пояснение к динамической теории газов» внесла немалый вклад в развитие кинетической теории. Он впервые вывел закон распределения скоростей молекул, рассматривает вопросы о длине свободного пробега молекул газа, о внутреннем трении и о диффузии газов, а также затрагивает вопрос о молекулярном толковании теплоемкости газов.
Дальнейшее развитие кинетической теории газов и кинетической теории теплоты связано с именем австрийского физика Л. Больцмана. Он привел усовершенствованный вариант доказательства закона распределения скоростей молекул газа, также вывел уравнение для идеального газа и первым доказал Н-теорему, согласно которой идеальный газ, находящийся изначально в нестационарном состоянии, самостоятельно со временем переходит в состояние равновесия. Своё доказательство Больцман истолковал как доказательство статистического характера второго начала термодинамики.
Ван-дер-Ваальс разработал первую теорию реальных газов, он учитывал размер молекул и силы, действующие между ними. Его теория давала один из способов определения размеров молекулы.
В 80-х годах представили ещё один метод определения размеров молекул, он связан с измерением диэлектрической постоянной газов. «Используя теорию электрической поляризации, Дорн определил размеры молекул некоторых газов».
Гиббс в своей работе «Основные принципы статистической механики» развил метод, применяемый Максвеллом и Больцманом. Он рассмотрел статистическую механику как особый раздел физико-математических наук. Задача статистической механики - исследование поведения ансамблей, которые состоят из механических систем. «Ансамбль Гиббса - это континуум одинаковых систем, распределенных в фазовом пространстве Γ с плотностью вероятностей ρt. Этот ансамбль можно рассматривать как сплошную среду, состоящую из невзаимодействующих частиц». Им были изучены свойства канонических ансамблей, разработана теория флуктуаций.
Ещё одним важным вопросом связанным с развитием термодинамики и статистической физики, был вопрос о тепловой смерти вселенной. Клаузиус и Томсон считали возможным распространить второй закон термодинамики на всю вселенную и пришли к выводу о её тепловой смерти. Многие ученые не соглашались с их точкой зрения. Критиками данной теории был Чернышевский, Энгельс, Аррениус, Больцман и другие. Толмен показал, что с точки зрения теории относительности применение термодинамики ко всей вселенной не приводит к её тепловой смерти.
«История термодинамики и статистической физики обладает большими возможностями, термодинамика занимает особое место, как по общности своих основных принципов, так и по значению в технике и технологии.»
Воспитательное значение термодинамики связано с тем, что методологические и философские вопросы, возникающие в связи с открытием и развитием принципов термодинамики, способствовали правильному пониманию природы тепловых явлений и оказывали большое влияние на формирование фундаментальных представлений современной физики.
«Термодинамическая картина мира стала важным дополнением механицистской картины, когда обнаружилось что одна классическая механика не в состоянии удовлетворительно объяснить ряд физических явлений».
|
|
|
