Вопрос13

ОТКРЫТИЕ ЗСЭ

При трении выделяется тепло, что было известно еще в каменном веке. Исследования ученых XIX в. дали возможность количественно объяснить этот эффект. Бенджамен Томпсон (лорд Румфорд), который родился в США, обратил внимание, что при сверлении стволов ар­тиллерийских орудий выделяется тепло. Он выполнил ряд опытов, которые, в сущности, сводились все к тому же сверлению цилиндров из пушечного ме­талла и измерению прироста температуры, который при этом происходит. На основании этих опытов Румфорд установил, что теплота — это особый вид движения.Гемфри Дэви — уче­ник аптекаря, затем — химик и профессор химии Лондонского королевского ин­ститута. Дэви исследовал процессы, происходящие при трении двух кусков льда. И пришел к выводам, что гипотеза теплорода не объясняет результатов опытов, а теп­лота должна быть какой-то формой движения. Фридрих Мор, профессора фармакологии, выска­зал такие же мысли.Парадокс, но идея сохране­ния энергии вызрела у людей, ко­торые по характеру мышления отличались от них: Юлиус Роберт Майер, пивовар Джеймс Прескотт Джоуль, физиолог и врач Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц, за которыми закрепилась слава открывателей закона сохранения и превращения энергии (первого начала термодинамики). Р. Майер получил высшее медицинское образование в Тюбингенском университете. Решающее значение в научной карьере сыграла его поездка в ка­честве судового врача на судне, плавающем на Яву. Именно там начались научные ис­следования Роберта Майера, при­ведшие его к открытию закона со­хранения энергии. На это его натолкнул вид крови при кровопускани­ях. Цвет венозной крови зависит от количества потребляемого кислорода (от интенсивности про­цессов окисления, происходящих в организме).Во времена Майера считалось, что живые организмы бла­годаря наличию в них некой «жизненной силы» не подчиняются законам физики и химии. Майер своими наблюдениями показал, что указанные законы действуют и в живых организмах. Он утверждает: «образовавшаяся теплота пропорциональна исчезнувшему движению» (о неупругом ударе). Майер формулирует четко закон сохранения энергии и осуществляет глубокий анализ экспериментальных данных. Майер, увлекшись феноменологи­ческим (термодинамическим) подходом, вынужден обосновы­вать свое открытие с помощью аналогий (например, известным из химии законом сохранения массы). Им выдвинута идея эксперимента по определению механического элемента теп­лоты, который осуществляет Джоуль, не зная работы Майера. Здесь же Р. Майер обосновывает знаменитое уравнение (уравнением Майера).Роберт Майер с термодинамических позиций раскрыл космическую роль растений, выдвинув перед наукой проблему фотосинтеза. Майер подвергается травле и насмешкам, даже родные считают его маньяком. В 1850 г. в состоянии сильного нервного расстрой­ства он пытается покончить с собой, выбросившись из окна. Выйдя из больницы для душевно больных, он морально и физически сломлен­. Он умер 20 марта 1878 г.Джеймс Прескотт Джоуль был владельцем большого пивоваренного завода в Манчестере, увлекался электрическими опытами, им опубликована статья о тепловом эффекте электрического тока. Русский ученый Э.Х.Ленц сделал это несколько позже, од­нако более тщательно. Закон выделения тепла при прохождении электрического тока носит название закона Джоуля — Ленца.Работы по изучению «джоулева тепла» поставили перед иссле­дователем задачу объяснить его природу. И Джоуль сообщает том, что, теплоту можно создавать с по­мощью механической работы, используя при этом «магнитоэлектричество» (электромагнитную индукцию). Эта теплота является пропорциональной квадрату силы индукционного тока. Сделав электро­мотор как бы посредником между тепловой энергией и механической работой, Джоуль впервые определил механический эквивалент теплоты. Общим выводом из этих экспериментов явилось представление о сохранении энергии. Уче­ный выполнил эксперименты, которые привели к откры­тию эффекта Джоуля—Томсона.Джоуль решительно поддерживал кинетическую теорию тепла и был одним из основоположников кинетической теории газов.

Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц родился в Потсдаме, работал врачом, учился в Берлине одновременно на двух факультетах. В деятельности Гельмгольца довольно прихотливо перемежа­ются физиология и физика. Он занимается физиологической оп­тикой и акустикой, исследует скорость передачи нервных импульсов, резонансную теория слуха и аккомода­ции глаза. Гельмгольц изобрел офтальмоскоп (для изучения глазного дна). В физике Гельмгольца занимали проблемы электричества, тео­рия колебаний, гидродинамика, метеорология, физиологическая оптика. Но мы подробно рассмотрим только его работу «О сохра­нении силы». В ней автор связывает закон сохранения энергии с невозможностью создания вечного двигателя, первый проект которого принадлежит Виллару де Оннекуру (1245 г.).Мир - по мнению Гельмгольца - совокупность материальных точек, взаимодейству­ющих друг с другом с центральными силами. Главным Гельмгольц ставит принцип сохранения живой силы: количество работы при переходе из первого состояния во второе то же, что и из второго в первое, независимо от способа, пути и скорости перехода (понятие кинетической и потенциальной энергий). Обратимся теперь к истории утверждения второго начала тер­модинамики. В XIX в. наблюдался бурный прогресс теплотехники, стимулирующий проведение научных исследований (уточнялись основные понятия, создавалась аксиоматика, разрабатывались математические методы). Ведущую роль здесь сыграли У. Томсон и Р.Клаузиус.У. Томсон дал «теорию движущей силы теплоты», зиждящейся на двух положениях - первом начале термодинамики и втором начале термодинамики, сформулированном им самим. У. Томсон формулирует также концепцию «тепловой смерти Вселенной», заключающуюся в том, что все виды энергии во Вселенной, в конце концов, должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопические процессы. Термин «энергия» ввел профессор университета в Глазго Уильям Джон Макуори Ранкин, который предложил современную формулировку закона сохранения энергии.

Первое начало Клаузиус формулирует в следующем виде:dQ = dU+dW.Клаузиусу принадлежит приоритет введения в теорию газов статистических методов (метод средних величин) и понятий (средняя длина пробега).

Клаузиус дал формулировку закона так: «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому не может иметь места без компенсации».Клаузиус предложил понятие — энтропия (функция тем­пературы). Измерение энтропии опре­деляет направление протекания процессов. Было установлено важнейшее свойство энтропии: в замкнутой системе она не может убывать. Второе начало термодинамики те­перь формулируется так: «Энтропия Вселенной стремится к макси­муму». Таким образом, Клаузиус, как и Томпсон,приходит к «тепловой смерти Вселенной».Статистическая физика. В начале XIX в. атомистика получила мощное под­тверждение в виде закона постоянства состава Жана Луи Пруста, на основе которого Джон Дальтон, высказал мысль о наличии малых частиц, присущих каж­дому веществу. Он независимо от Жозефа Луи Гей-Люссака открыл закон теплового расширения газов, закон кратных от­ношений, вытекающий из атомистической гипотезы. Амедео Авогадро, развивая атомно-молекулярную теорию, установил закон, носящий ныне его имя.Предположение о том, что теплота есть форма движения, высказанное Дж. П.Джоулем, получило вскоре новую жизнь. Считая частицы (молекулы) газа движущимися поступательно, он, исходя из закона сохранения энергии, рассчитывает их скорость. При этом Джоуль указывает, что абсолютная температура, давление и «живая сила» (кинетическая энергия) пропорциональны друг другу.Р. Клаузиус вывел основное уравнение кинетической теории газов, согласно которому давление газа равно 2/3 средней кинетической энергии всех молекул в единице объема. Дж. К. Максвелл вывел распределение молекул по скоростям, из которого он вычисляет среднее значение скорости молекул, давление молекул газа на стенки сосуда, длину свободного пробега, число Авогадро и другие величины, которые раньше могли быть получены только эмпирическим путем. Термодинамические исследования привели ученых к пониманию того, что Вселенная устроена единым образом и молекулы любого вещества абсолют­но одинаковы на Земле и на планетах, отдаленных от нее на мно­жество световых лет. Ожижение газов тесно связано с получением низких температур. К. Кальете и Р. Пикте ожижили кислород. Карл Линде, используя эффект Джоуля-Томсона, построил установку для сжижения воздуха. Джеймс Дъюар получил жидкий (а затем и твердый) водород. Гейке Камерлингом-Оннесом был ожижен гелий (Нобелевская премия 1913г). Так стало ясно, что никаких принципиальных различий между газами и парами не существует, а все вещества во Вселенной могут иметь газообразное, жидкое и твердое состояния.Термодинамика. Общность понятий и методов, которые она использует, позволяют этой науке эффективно работать в физике и химии и делают ее абсолютной. Дж. У. Гиббс разработал так называемые энтропийные диаграммы, играющие значительную роль не только в самой термодинамике, но и в ее технических приложениях. С помощью этих диаграмм можно легко представить все свойства вещества, при этом были введены понятия термодинамической поверхности и объема.

Гиббс разработал и применил метод термодинамических функций. Он ввел широко используемые в co временной термодинамике понятия свободной энергии, энтальпии и термодинамического потенциала Гиббса. В своих исследованиях Гиббс сформулировал условия равновесия гомогенной и гетерогенной систем, ввел термин «фаза», подразумевая под ним опре­деленный состав и состояние тел. После Гиббса термодинамика превратилась в теоретическую систему, применимую в разных отраслях физики и химии. Одно из объяснений такой всеобьемлимости получило наимено­вание энергетизм. Его приверженцами были Э. Мах, В. Ф. Оствальд и др. Второе направле­ние — атомистическое. Его поддерживали Р. Клаузиус, Дж. К. Мак­свелл, Людвиг Больцман и др.Больцман создал статистическую меха­нику, статистическое обоснование второго начала термодина­мики, предложил функцию распределения. Закон возрастания энтропии получает у Больцмана интерпретацию: «Система стремится к наиболее вероятному со­стоянию». Так, второе начало термодинамики становится законом статистическим, процессы идут в обе стороны, а значит, для Вселенной в целом тепловой смерти нет.

Планк дал простой, точный и изящный вывод соотношения между энт­ропией и вероятностью. Оно имеет следующий вид

где S — энтропия; W — вероятность; к — постоянная Больцмана.

Биографии ученых, творцов ТД стат.физики

Рудольф Юлиус Эммануэль Клаузиус — выдающийся немецкий физик, родился в Польше, высшее образование получил в Бер­лине. Им было дано обобще­ние уравнения, описывающего фазовые переходы «пар — жидкость» и «жидкость — твердое тело» (уравнение Клапейрона — Клаузиуса). Клаузиус сформулировал второе начало термодинамики. Развивая это на­правление, он предложил энтропию. Клаузиус занимался исследованиями поля­ризации диэлектриков, исследованием термоэлектричества.Уильям Томсон (Кельвин) — выдающийся английский физик, родился в Белфасте. У. Томсон был выдающимся педагогом. Пять дней в неделю он читал ежедневно две лекции: по физике и математической физике. Ряд учеников У.Томсона стали выдаю­щимися учеными (например, Джон Керр, первооткрыватель элект­рооптического эффекта).У.Томсон стал создателем абсолют­ной шкалы температур, автором второго начала термодинамики и отцом теории тепловой смерти Вселенной. Однако кроме этого им открыт также ряд важных термодинамических эффектов (на­пример, эффект Джоуля—Томсона). Томсон известен также как исследователь в области магнетизма, физики колебаний и т.д. Джозайя Уиллард Гиббс родился в США, учился у Магнуса, Кирхгофа, Гельмгольца, позднее получил звание профессора математики.

Основные научные работы Д. Гиббса связаны с химической термодинамикой и статистической механикой. С его именем связаны парадокс Гиббса, каноническое, микроканони­ческое и большое каноническое распределения Гиббса, адсорбционное уравнение Гиббса и др. Он является также одним из со­здателей векторного исчисления в его современной форме. Людвиг Больцман — австрийский физик, родился в Вене. Его талант теоретика был настолько явным, что 25-летнего Л.Больцмана из­брали профессором физики в Граце. Особенно плодотворна его деятельность в области кинетической теории газов, тер­модинамики и теплового излучения. Больцману принадлежит создание кинетической теории теплоемкости. Именно он доказал зна­менитую теорему о равномерном распределении кинетической энер­гии по степеням свободы. Работая над вопросами статистической физики, Больцман дал статистиче­ское обоснование второму началу тер­модинамики. Его ра­боты посвящены также математике, механике, оптике, гидродинамике, теории упругости, теории электромагнитного поля и т.д. Джон Дальтон — английский химик и физик, образование получил самостоятельно, был учителем математи­ки в Манчестере. Главная заслуга Дальтона — развитие атомистических представлений применительно к химии, кроме этого он ввел понятие атомного веса и составил первую таблицу атом­ных весов элементов. Очень весомы его работы в области газовых законов (закон парциаль­ных давлений газов). Дефект зрения — дальтонизм — впервые описан им же.Жозеф Луи Гей-Люссак — французский физики и химик, окончив Политехническую школу, стал про­фессором химии в ней и профессором физики в Сорбонне. Основные работы ученого относятся к области газовых законов (н-р, закон Гей-Люссака). Изобрел ряд физиче­ских приборов (гигрометр, термометр, спиртомер, насос). Амедео Авогадро — итальянский физик и химик, родился в Турине. Получил юридическое образование, потом стал самостоятельно изучать физику и математику. С 1834 г. — профессор физики туринского университета. Основные научные работы, посвященные молекулярной физике, вылились в открытие знаменитого закона Авогадро. Был автором первого в истории руководства по молекулярной физике (1837—1841). Гейке Камерлинг-Оннес — нидерландский физик, родился в Гронингене, окончил Гронингенский университет, затем совершенствовался в Лейденском и Геттингенском университетах, был про­фессором Лейденского университета, ос­нователем и бессменным директором криогенной лаборатории.

Научные работы ученого относятся к физике низких температур, основателем которой он и является, и к сверх­проводимости. Первым сумел ожижить гелий. Исследуя свойства металллов при гелиевых температурах, открыл явление сверхпроводи­мости у ртути, а затем у олова, свинца, таллия и др. Предложил использовать сверхпроводящую обмотку для получения сильных магнитных полей. Гейке Камерлинг-Оннес — лауреат Нобелевской премии за 1913 г. Иоханнес Дидерик Ван-дер-Ваальс выдающийся нидерландский физик-теоретик, родился в Лейдене, окончил Лейденский университет, профессор Амстердамского университета. Научные работы посвящены молекулярной физике и изучению низкотемпературных явлений. Вывел уравнение состояния реального газа (Ур-ие В.-д.-В.). Своей теорией объяснил существование и характер критических явлений. Нобелевский лауреат (1910).