Теорія теплових машин Саді Карно. Народження закону збереження енергії, виникнення класичної термодинаміки

Для сравнения различных количеств теплоты потребовалось ввести новое понятие «теплоемкость». Кирван (1745) предложил в качестве единицы измерения теплоты то ее количество, которое нагревает единицу массы воды на 1 С, т.е предложил приравнять удельную теплоемкость воды единице. (термин «калория» возник в 1852 г.). Термин «теплоемкость» ввел ученик Блэка – Ирвин, а термин «удельная теплоемкость» Гадолин в 1784 г. О результатах Блэка сообщил в 1778 г. Крауфорд, а опубликовал их в 1803 г. Робинсон.

Исследования Вильке и Блека. Они открыли скрытую теплоту плавления и кипения. Делюк (1754-1755) обнаружил, что лед сохраняет ту же температуру, пока не превратится в воду, при сохраняющемся подводе тепла.

Вопрос о температуре смеси.

Рихман решил две задачи: о смешении двух жидкостей с разными с массами и разными температурами.

Вторая задача – нашел закон охлаждения нагретых тел независимо от Ньютона и выразил его через формульное соотношение.

Блэк четко разграничил количество теплоты и температуру на этом основании. Чтобы растопить лед, мало довести его до0 С, нужно еще на каждую единицу веса добавить единицу воды при температуре 77,8 С. Отсюда вывод: должен быть какой-то агент, который не только осязается и ощущается как температура тела, но и вызывает изменение состояния тела. Это – теплород (Цитата). И далее (Цитата) Отсюда ясно следует, что теплота и температура не эквивалентны.

Вильке (швед) утверждал, что каждое тело поглощает или выделяет сосответственное ему количества тепла. Сопоставляя эту способность с поглощением и выделением тепла водой как с эталоном, он нашел удельные теплоемкости многих тел. Он изучал изменение температуры смеси льда и воды, затем заменял воду на другое нагретое тело и вычислял удельные теплоты тел, считая удельную теплоту воды = 1. Он также обнаружил «исчезновение» части теплоты при исследовании смеси воды и льда, пр и процессе испарения воды. На основании калориметрических формул Рихмана и понятии теплорода возникло понятие скрытой теплоты таяния и испарения.

Лед + теплород = вода, вода + теплород = водяной пар. Теплота сочетавшаяся с телом не обнаруживается с помощью термометра (это «скрытая» теплота), а на термометр действует «свободная теплота». Теория теплорода исследованиями скрытой теплоты получила мощную поддержку. Марат – нагрева или охлаждения газа. Теплород в газе – как сок в апельсине: сожмешь апельсин (газ) выделится теплород (газ нагреется).

Теория теплорода – исторически необходимый этап. Положительная роль – объединила ряд фактов и частных теорий, систематизировала их и объяснила с единой точки зрения. В ряде случаев получила верные результаты. Это потому, что исходные предпосылки были таковы, что при выполнении их в системе количество тепла могло рассматриваться как неизменное. Никаких убедительных экспериментов, указывающих на полную несостоятельность теории теплорода сделано не было. Единственна трудность – объяснение опыта Румфорда.

Борьба против теории теплорода. Развитие корпускулярной теории теплоты находим у Ломоносова (1745) «Размышления о природе теплоты и стужи». Основная цель работы – показать, что «цитата».

Паровые машины – Первая универсальная паровая машина – И.М. Ползунов (1728-1766). Уатт – более совершенная паровая машина. – 1784 г. Дальнейшее усовершенствование паровой машины через развитие теплотехники, теоретической основой которой является термодинамика. Два направления в термодинамике – изучение рабочих циклов тепловых машин (привело к установлению первого и второго начала термодинамики). 2. Изучение свойств газов и паров – привело к выводу уравнения состояния газов.

Рабочие циклы изучал С. Карно (1796-1832). 1824 – «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Сущность работы паровой машины до Карно неясна. Историческое значение работы Карно в том, что он дал теоретические основы теплотехники, не ограничиваясь тепловыми машинами, а ведя речь о тепловом двигателе в целом. Теорию тепловой машины построил исходя из теории теплорода. С. Карно сформулировал абстрактный общий метод решения – термодинамический метод. Работу тепловой машины рассматривал как результат перехода теплорода от горячего тела к холодному.

Рассматривая работу тепловой машины, и исходя из модели абстрактного рабочего тела, Карно установил: 1. неразделимость процессов получения работы и теплообмена между телами. 2. обосновал принцип получения работы за счет теплоты. 3. установил теорему о к.п.д. тепловой машины вне зависимости от природы рабочего тела. 4. Показал невозможность вечного двигателя 2-го рода. 5. определил самый выгодный круговой цикл. Предвосхитил связь между Ср и Сv, разделение процессов на стационарные и квазистационарные.

Работа 10 лет не вызывала интереса. В 1834 г. Клапейрон усовершенствовал цикл Карно, получил уравнение состояния газа. Впервые применил графическое изображение обратимых круговых процессов и вычислил работу как соответствующую площадь на графике. В записных книжках Карно были найдены записи, свидетельствующие о его отходе от теории теплорода. В них же – расчет механического эквивалента теплоты из процессов расширения газа при изобарическом процессе и изменения теплоемкости газа при изохорическом процессе. I = A/Q = 367 кГм/ккал.