Развитие термодинамики

Теплофизика в XIX веке развивалась по следующим направлениям:

1. создание аналитической теории передачи теплоты Фурье,

2. исследования превращения теплоты в механическую работу или превращения работы в теплоту.

1. Аналитическая теория теплоты Фурье.

Проблема теплопроводности была решена французским ученым Жаном Батистом Фурье (1768-1830) в первой половине XIX века. Передача теплоты внутри твердой среды от одного элемента к другому, то есть собственно теплопроводность, для которой Фурье и устанавливает аналитический закон и получает дифференциальное уравнение теплопроводности, придерживаясь теории теплорода.

Таким образом, Фурье привел теории теплоты в такое же состояние, в которое была приведена к тому времени механика, и уточнил представления предшественников по вопросу о протекании теплоты внутри твердого тела. Количество проходящей теплоты внутри тела пропорционально не просто разности температур, как было установлено Фурье, а этой разности, отнесенной к единице длины, то есть пропорционально градиенту температуры. Фурье оказался первым, кто количественно изучил явление теплопроводности, которое описывает необратимые процессы, и по этой причине не укладывающееся в рамки классической механики, все законы которой являются обратимыми. Таким образом, Фурье установил, что в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи теплоты только от более горячих тел к менее горячим. Это утверждение может рассматриваться как первая формулировка второго начала термодинамики. Дальнейшее развитие понятия необратимости в науке связано с развитием теории тепловых машин.

2. Теория тепловых машин Карно.

Исследованиями превращения теплоты в механическую работу занимался французский инженер Сади Карно (1796—1832).

Анализируя работу тепловой машины, Карно высказывает идею, что для работы тепловой машины необходимо наличие разности температур и затем их выравнивание. К этому положению Карно пришел исходя из представлений о теплороде, который, переходя от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, может совершать работу. Признавая теорию теплорода, Карно проводил аналогию между работой тепловой машины и работой водяного двигателя, в котором вода, падая с большей высоты на меньшую, совершает работу.

Однако при передаче теплорода от теплого тела к холодному, работа может не совершаться, например, при тепловом контакте двух тел, когда происходит бесполезное восстановление теплового равновесия. Поэтому, работа тепловой машины определяется не только разностью температур.

Для того чтобы производилась работа, должно существовать рабочее вещество, которое отбирает теплоту у нагревателя при более высокой температуре — лучше всего при температуре нагревателя — и отдает теплоту холодильнику при температуре более низкой — опять таки лучше всего при температуре холодильника. Этого можно достигнуть, если в качестве рабочего тела взять газ, который забирает и отдает теплоту, совершая изотермический процесс.

Изменение температуры самого рабочего вещества происходит в результате изменения его объема адиабатически. В этом случае, как показал Карно, мы получим максимально возможную работу. Во всех других случаях получается меньшая работа, и даже она может быть совсем не произведена. При исследовании важности перепада температур и необходимости рабочего тела Карно вводит в обиход множество терминов: идеальная тепловая машина, идеальный цикл, обратимость процесса и т.д.

На следующем этапе Карно формулирует теорему для идеальной тепловой машины: «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми, в конечном счете, производится перенос теплорода».

При доказательстве теоремы Карно исходит из двух положений: принципа сохранения теплорода и принципа невозможности вечного двигателя.

Положение о том, что «движущая сила теплоты» зависит только от температур нагревателя и холодильника и что рабочее тело не играет никакой роли, является первым шагом к пониманию второго начала термодинамики. Однако Карно не удалось определить коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины как функцию этих температур.

Таким образом, несмотря на неверное представление о природе теплоты и самом процессе работы тепловой машины (неправильное применение закона сохранения энергии, в результате чего, Карно пришел к равенству количества теплоты, полученного от нагревателя, и количества теплоты, отданного холодильнику), Карно получил важные результаты в области теплофизики. И хотя в середине XIX века теплород был убран из теории Карно, но ее основные выводы остались неизменными.

Таким образом, Карно пришел к общей идее о сохранении и превращении «сил» и о теплоте как о движении.