Термодинаміка

а) Виникнення термодинаміки

Теплові явища відрізняються від механічних і електромагнітних тем, що закони теплових явищ необоротні (тобто теплові процеси самі йдуть лише в одному напрямку) і що теплові процеси здійснюються лише в макроскопічних масштабах, а тому використовувані для опису теплових процесів поняття і розміри (температура, кількість теплоти і т.д.) також мають тільки макроскопічний зміст (про температуру, наприклад, можна говорити стосовно до макроскопічного тіла, але не до молекулі або атому). Водночас знання будівлі речовини необхідно для розуміння законів теплових явищ.

Тіло, аналізоване з термодинамічної позиції, є нерухомим, що не володіє механічною енергією. Але таке тіло має внутрішню енергію, що складається з енергій електронів, що рухаються, і т.д. Це внутрішня енергія може збільшуватися або зменшуватися. Передача енергії може здійснюватися шляхом передача від одного тіла до іншого при вчиненні над ними роботи і шляхом теплообміну. В другому випадку внутрішня енергія переходить від більш нагрітого тіла до менше нагрітого без учинення роботи. Передану енергію називають кількістю теплоти, а передачу енергії - теплопередачею. У загальному випадку обидва процеси можуть здійснюватися одночасно, коли тіло при утраті внутрішньої енергії може здвйснювати роботу і передавати теплоту іншому тілу. До розуміння цього вчені прийшли не відразу. Для XVIII і першій половині XIX ст. було характерно розуміти теплоту як невагому рідину (речовина).

Уявлення про теплоту як формі прямування дрібних часток матерії з'явилося ще в XVII сторіччі. Цих поглядів притримувалися Бекон, Декарт, Ньютон, Гук, Ломиносов. Проте й у XIX сторіччі концепція теплорода розділялася багатьма вченими. Наприкінці XVIII сторіччя Б.Томпсон (граф Румфорд) виявив виділення великої кількості тепла при висвердлюванні каналу в гарматному стовбурі, що порахував доказом того, що теплота є формою прямування. Одержання теплоти за допомогою тертя підтвердили досвіди Г.Деві. Б.Томпсон показав, що з обмеженої кількості матерії може бути отримана необмежена кількість теплоти.

Виникнення власне термодинаміки починається з роботи С.Карно (сам термін "термодинаміка" уведений Б.Томпсоном). Досліджуючи практичну задачу одержання прямування з тепла стосовно до парових машин, він зрозумів, що принцип одержання прямування з тепла необхідно розглядати не тільки стосовно парових машин, але до будь-яких мислимих теплових машин. Так був сформульований загальний метод рішення задачі - термодинамічний, що заклав основу термодинаміки. Визначаючи коефіцієнт корисної дії теплових машин, Карно увів свій знаменитий цикл, що складається з двох ізотермічних (які відбуваються при постійній температурі) і двох адіабатичних (без притоки і віддачі тепла) процесів. ККД циклу Карно не залежить від властивостей робочого тіла (пару, газу і т.д.) і визначається температурами тепловіддатика і теплоприймальника. ККД будь-якої теплової машини не може бути при тих же температурах теплоотдатчика і теплоприемника вище КПД циклу Карно.

Карно першим розкрив зв'язок теплоти з роботою. Але він виходив із концепції теплорода, що визнавала теплість незмінної по кількості субстанцією. Водночас Карно вже зрозумів, що робота парової машини визначається загальним законом переходу тепла від більш високих до більш низьких температур, тобто що не може бути безмежного відтворення рушійної сили без витрат теплорода. Таким чином, робота рекомендувалася як результат перепаду теплорода з вищого рівня на нижчі. Інакше кажучи, теплота може створювати роботу лише при наявності різниці температур. За своїм змістом це і складає зміст другого початку термодинаміки. ККД теплової машини виявився залежним не від робочої речовини, а від температури тепловіоддачика і теплоприймальника. Все це дозволило Карно прийти до визнання принципу неможливості створення вічного двигуна першого роду (тобто безупинно чинної машини, що, будучи якось запущеної, чинила би роботу без притоки ззовні).

Усвідомлюючи хиби теорії теплорода, Карно зрештою відмовляється від визнання теплоти незмінної по кількості субстанцією і дає значення механічного еквівалента теплоти. Але публікація цього висновка була здійснена вже після визнання закону зберігання енергії, тому даний висновок не зіграв тієї ролі. який міг зіграти. будучи опублікованим раніше. Але так чи інакше Карно заклав основи термодинаміки як поділу фізики, що вивчає найбільше загальні властивості макроскопічних систем, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, і процеси переходу між цими станами. Термодинаміка стала розвиватися на основі фундаментальних принципів або початків, що є узагальненням результатів численних спостережень і експериментів.

б) Перший початок термодинаміки (закон збереження енергії в застосуванні до термодинамічних процесів) говорить: при повідомленні термодинамічній системі (наприклад, пару в тепловій машині) визначеної кількості теплоти в загальному випадку відбувається при збільшенні внутрішньої енергії системи і вона здійснює роботу проти зовнішніх сил. Вище відзначалося, що першим, хто поставив теплоту у зв'язок із роботою, був Карно, але його робота в силу спізнілої публікації не зробила вирішального впливу на формування першого початку термодинаміки. Проте ідея про те, що теплоту - не субстанція, а сила (енергія), однієї з форм котрої і є теплота, причому ця сила, у залежності від умов, виступає у виді прямування, електрики, світла, магнетизму, теплота, що можуть перетворюватися друг у друга, існувала в розумах дослідників. Для перетворення цієї ідеї в ясне і точне поняття, необхідно було визначити загальну міру цієї сили. це зробили, незалежно друг від друга, Р.Майер, Д.Джоуль і Г.Гельмгольц.

Р.Майер першим сформулював закон еквівалентності механічної роботи і теплість і розрахувала механічний еквівалент теплоти (1842 р.). Д.Джоуль експериментально підтвердив припущення про те, що теплота є формою енергії і визначив міру перетворення механічної роботи в теплоту. М.Гельмгольц у 1847 р. математично обгрунтував закон збереження енергії, показавши його загальний характер. Підхід усіх трьох авторів закону збереження енергії був різноманітним. Майер відпихався більше від загальних положень, пов'язаних з аналогією між "живою силою" (енергією), що одержували тіла при своєму падінні відповідно до закону всесвітнього тяжіння, і теплотою, що віддавали стиснуті гази. Джоуль йшов від експериментів по виявленню можливості використання електричного двигуна як практичного джерела енергії (ця обставина і змушувала його задуматися над питанням про кількісну еквівалентність роботи і теплоти). М.Гельмгольц прийшов до відкриття закону збереження енергії, намагаючись застосувати концепцію прямування Ньютона до прямування великого числа тіл, що знаходяться під впливом взаємного тяжіння. Його висновок про те, що сума сили і напруги (тобто кінетичною і потенційною енергією) залишається постійної, є формулюванням закону зберігання енергії в його найбільше загальній формі. Цей закон - найбільше відкриття XIX сторіччя. Механічна робота, електрика і теплота - різноманітні форми енергії. Д.Бернал так охарактеризував його значення: "Він об'єднав багато наук і знаходився у винятковій гармонії з тенденціями часу. Енергія стала універсальною валютою фізики - так сказати, золотим стандартом змін, що відбувалися у всесвітом. Те, що було встановлено, являв собою твердий валютний курс для обміну між валютами різноманітних видів енергії: між калоріями теплоти кілограм-метрами роботи і кіловат-годинами електрики. Вся людська діяльність у цілому - промисловість, транспорт, освітлення і, у кінцевому рахунку, харчування і саме життя - розглядалося з погляду залежності від цього одного загального терміна - енергія"