2014-02-12
1219
Введение
1. Предмет термодинамики. Исторический экскурс.
Само название предмета нашего изучения указывает на истоки этой науки, занимавшейся первоначально изучением теплоты. В дальнейшем, однако, термодинамика включила в себя изучение превращений энергии во всех ее формах. Основоположниками термодинамики по праву считают следующих исследователей.
- Никола Леонард Сади Карно (1796 г.) – французский инженер, проанализировавший условия совершенствования паровых машин и обобщивший результаты своих исследований в книге «Размышления о движущей силе огня» в 1824 г. Работы Карно легли в основу II начала термодинамики – великого закона Природы.
- Джеймс Прескотт Джоуль (1818 г.) — английский ученый, чьими исследованиями экспериментально было показано, как работа переходит в теплоту. Именно Джоуль показал, что теплота и работа — это лишь два различных способа передачи энергии, т.е. в определенном смысле они эквивалентны, измерять их можно одними и теми же энергетическими единицами.
- Уильям Томсон (он же лорд Кельвин, 1824 г.) — также английский ученый, прекрасно сочетавший в себе способности теоретика и экспериментатора. Знаменитая работа Кельвина «К динамической теории теплоты» (1851 г.) положила начало термодинамике как науке.
- Немецкий ученый Рудольф Готтлиб (1822 г.), взявший себе впоследствии латинскую фамилию Клаузиус (под которой он нам и известен). В работе Клаузиуса «О движущей силе теплоты» (1850 г.) был сделан вывод о том, что в Природе существуют два основополагающих принципа, два закона, которые мы теперь называем I и II начала термодинамики.
- И, наконец, Людвиг Больцман (1844 г.) – связал поведение макроскопических систем (с которыми имеет дело техника) с атомно-молекулярной структурой вещества. Мостом между кинетической теорией газов (или статистической механикой) и термодинамикой служит знаменитая постоянная Больцмана k. Им же осмыслено понятие энтропии
и выведена формула для энтропии, которая впоследствии была выбита на надгробном камне его могилы.
Чаще всего говорят, что в основе термодинамики лежат два основных закона: I и II начала. Первым по времени было установлено как раз второе, а затем первое. Однако физики решили, что по логике изложения основ данной науки впереди должен быть еще один — его назвали нулевым законом (т.к. номер первый был уже занят), а затем обосновали еще и третий закон термодинамики. Итак, законов получилось четыре. Подробнее всего мы будем изучать первый и второй— исходя из практических потребностей. А пока вкратце охарактеризуем каждый из четырех законов, четырех начал термодинамики.
Нулевое начало термодинамики понадобилось для того, чтобы дать логическое обоснование введению понятия «температура» физических тел.
Первое начало — это закон сохранения энергии в применении к тепловым процессам, и кратко его можно сформулировать так «Энергия сохраняется».
Второе начало устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, или однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных (или спонтанных) процессов. Например, если привести в контакт горячее и холодное тела, горячее тело остынет, а холодное нагреется, но горячее никогда не станет более горячим, а холодное – еще более холодным. Или, если в сосуде с перегородкой в одной части находится газ с высокой концентрацией, а в другой — с низкой, то если перегородку убрать, процесс всегда пойдет в сторону выравнивания концентраций, а не в сторону еще большей разницы концентраций.
Третье начало термодинамики касается свойств веществ при очень низких температурах. Оно утверждает невозможность охлаждения вещества до температуры абсолютного нуля посредством конечного числа шагов. Это утверждение базируется уже на атомном строении вещества.
