11. Естествознание XIX века. Термодинамика

1. Теория тепловых машин Карно, понятие кпд.

Понятия, введенные Карно в его знаменитой работе, такие как «идеальная тепловая машина», «идеальный цикл» (цикл Карно) и другие, навсегда вошли в термодинамику.

Важнейшим результатом исследований Карно явилось доказательство того, что эффективность теплового двигателя определяется температурами нагревателя и холодильника, и в идеальном случае КПД будет равен

В своих исследованиях Карно исходил из теории теплорода, уподобляя теплород воде, а разность температур (Т₁ — Т₂) — разности уровней воды. Уже после опубликования этой своей работы Карно отказался от теории теплорода в пользу механической теории теплоты. Из формулы для КПД следует, что эффективность тепловой машины тем выше, чем выше

температура нагревателя Т₁, и ниже температура холодильника Т₂.При Т₂ = 0 КПД оказывается равным единице. Но газы при определенном охлаждении сжижаются, то есть перестают быть газами, следовательно, абсолютный нуль температур недостижим. Это утверждение составляет третье начало термодинамики, по которому нельзя охладить вещество до температуры абсолютного нуля посредством конечного числа шагов. Третье

начало может быть объяснено только с помощью молекулярно-кинетической теории.

Другим путем увеличения КПД тепловой машины является увеличение Г,, что и реализуется в конструкциях современных тепловых двигателей.

Второе начало термодинамики по своей физической сущности содержится в принципе Карно, заключающемся в том, что холодильник — столь же необходимый в тепловой машине элемент, как и нагреватель, причем роль холодильника может выполнять окружающая среда, а эффективность тепловой машины определяется значениями температур холодильника и нагревателя.

2. Открытие закона сохранения и превращения энергии (Майер, Джоуль, Гельмгольц).

Во времена Майера было распространено учение о жизненной силе организма (витализм). Живой организм действует благодаря наличию в нем особой жизненной силы. Тем самым физиологические процессы исключались из сферы физических и химических законов и обусловливались таинственной жизненной силой. Майер своим наблюдением показал, что организм управляется естественными физико-химическими законами , и прежде всего законом сохранения и превращения энергии .

По Майеру, следовательно, все движения и изменения в мире порождаются «разностями», вызывающими силы, стремящиеся уничтожить эти разности. Но движение не прекращается, потому что силы неуничтожаемы и восстанавливают разности.

Джоуль сделал свои эксперименты по выделению тепла электрическим током исходным пунктом дальнейших исследований выяснения связи между теплотой и работой. Уже на первых опытах он стал догадываться, что теплота, выделяемая в проволоке, соединяющей полюсы гальванической батареи, порождается химическими превращениями в батарее, т. е. стал прозревать энергетический смысл закона . Чтобы выяснить далее вопрос о происхождении «джоулева тепла» (как теперь называется теплота, выделяемая электрическим током), он стал исследовать теплоту, выделяемую индуцированным током. В работе «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом эффекте теплоты», доложенной на собрании Британской Ассоциации в августе 1843 г., Джоуль сформулировал вывод, что теплоту можно создавать с помощью механической работы, используя магнитоэлектричество (электромаь нитную индукцию), и эта теплота пропорциональна квадрату силы индукционного тока.

Таким образом, мир, по Гельмгольцу, — это совокупность материальных точек, взаимодействующих друг с другом с центральными силами. Силы эти консервативны, и Гельмгольц во главу своего исследования ставит принцип сохранения живой силы Принцип Майера «из ничего ничего не бывает» Гельмгольц заменяет более конкретным положением, что «невозможно при существовании любой произвольной комбинации тел природы получать непрерывно из ничего движущую Силу». Этот принцип требует, чтобы «количество работы, которое получается, когда тела системы переходят из начального положения во второе, и количество работы, которое затрачивается, когда они переходят из второго положения в первое, всегда было одно и то же, каков бы ни был способ перехода, путь перехода или его скорость».

3. 1-е и 2-е начала термодинамики, понятие энтропии (Клаузиус, Кельвин).

Принцип термодинамики:

• Во всех случаях, когда теплота производится механической работой, количество теплоты пропорционально полученной работе.

• В природе возможны процессы протекающие только в одном направлении – теплота переходит от более горючих тел к менее горючим (термодинамические процессы необратимы)

• При стремлении температуры к абсолютному 0 – энергия любой системы стремится к конечному приделу.

• Самое холодное вещество жидкий гелий -250 ⁰С

Энтропия – мера необратимости рассеивания энергии.

В замкнутых системах энтропия способна только возрастать, пока не достигнет максимума.

Возрастание энтропии – это возрастание беспорядка (хаоса) любой системы.