Последний отзыв
Книга довольно хорошо написана в виде рассказов старого человека молодому парню, основанных на событиях его реальной жизни, охватывающей период с нача...
Далее
По всем вопросам обращайтесь на: info@litportal.ru
(©) 2003-2024.
✖
Концепции современного естествознания
Настройки чтения
Размер шрифта
Высота строк
Поля
Термодинамическая картина мира
Формирование термодинамической картины мира связано с быстрым ростом промышленного прогресса в XIX в., получившего название промышленной революции. Развитие капитализма способствовало ускоренному количественному и качественному росту технических изобретений, причем основанных на самых передовых научных идеях. Человечество открыло для себя паровой котел. Стали изобретаться и внедряться в производство все новые и новые паровые машины. Их использовали сначала стационарно (паровые двигатели для помола зерна, для суконных и других мануфактур), затем стали применять и для замены традиционного средства передвижения (животные), поставив паровую машину на рельсы. Так возникли первые паровозы. Мир начал стремительно развиваться. Наука полностью вышла из-под контроля Церкви, в обществе возникло понимание, что технические изобретения способствуют и росту благосостояния, делают жизнь удобнее и приятнее.
Наука откликнулась на новые желания общества: ученые включились в изучение теплоты, занялись теоретическими исследованиями, например, Фурье вывел дифференциальное уравнение теплопроводности, Никола Карно занялся увеличением работоспособности тепловых машин, Клапейрон обратил внимание на исследование свойств газообразного вещества и вывел уравнение состояния газа, физик Клаузиус разработал принцип эквивалентности теплоты и работы, ввел понятия внутренней энергии и взаимопревращения энергии.
Эксперимент стал ведущим средством для проверки жизнеспособности новых теорий. Срок от экспериментальной проверки до технического внедрения сократился до минимума. Классическая механика для этого общества устарела. Она не отвечала духу времени. Сложные явления оказалось невозможным объяснить в позиций классической механики. К таким явлениям относились тепловая энергия и понятие фазового перехода. Не укладывающимися в теорию при изучении теплоты оказались такие факты, как наличие одинаковых следствий при разных причинах и несоответствие состояния атомов состоянию системы в целом. Новая теория получила название термодинамической, а новая картина мира – термодинамической картины мира.
В механике существовало понятие механической работы, которое определялось произведением приложенной силы на энергию, необходимую для производства работы: А = F · x. Способов передачи кинетической энергии другому телу в механике было всего два: либо приложение некой силы к другому телу, либо толчок при ударе (отсюда и все рассуждения о первотолчке Бога). Если другое тело перемещалось, то полученная им кинетическая энергия растрачивалась полностью. Но в некоторых случаях такая энергия не растрачивалась (сжатие пружины, подъем тела на высоту), а накапливалась (например, как в сжатой пружине). Накопленная, но не использованная энергия называлась потенциальной.
Потенциальная энергия, по современным понятиям, накапливается в составляющих тело мельчайших частицах. Механика не занималась состоянием частиц, она ограничивалась признанием того, что потенциальной энергией обладают деформированные тела, застрявшие в процессе деформации. Величина потенциальной энергии в механике определяется величиной работы, которую данное тело может совершить, приходя в равновесное состояние с системой тел (разжавшаяся пружина, опущенный вниз груз).
Расчет был верен при соблюдении двух условий: изолированности всей системы и ее консервативности (то есть независимости от движения и зависимости от взаимного расположения или конфигурации тел).
В то же время расчет становился неверным, если работа данных сил зависела от формы пути или силы зависели от скорости движения, если в действие включались «непредусмотренные» силы, такие как сила трения (при этом часть работы рассеивается). Грубо говоря, точно рассчитать работу в механике можно было, исключив «лишние» факторы, то есть перейдя с теоретического на практический уровень, где система по определению не может быть консервативной и изолированной.
По сути, закон сохранения механической энергии работал только для определенного типа явлений, когда трением можно было пренебречь (например, при коротком времени воздействия). Массированный переход к внедрению технических изобретений из лабораторий в промышленное производство требовал прежде всего ответа на вопрос, как и куда уходит потенциальная энергия, совершая работу. Классическая механика ответить на него не могла.
Теплота и температура как понятия до середины XIX в. были в естествознании синонимами. Этому способствовало существование дополнительного компонента – теплорода. Под теплородом понималась особая составляющая всех материальных тел, способная изнутри нагревать эти тела. Смертельный удар по теплороду нанес ученый Румфорд.
Он решил провести опыты с трением. Теория теплорода объясняла, что при трении из объектов выжимается жидкий теплород, из-за чего изменяется их теплоемкость. Румфорд провел эксперимент по сверлению пушечного ствола и четко зафиксировал результаты: время сверления 150 минут, за счет трения совершена работа, достаточная для испарения 12 кг воды, в то же время получено 270 г металлической стружки, имеющей ту же теплоемкость, что и отливка.
Поскольку источник теплоты, происходящей от трения, был неисчерпаем, а изолированное тело или система тел не может поставлять теплород без ограничения, то полученная теплота теплородом объясняться не может. Так было доказано, что теплорода не существует.
В 1827 г. Карно провел теоретический анализ процесса превращения теплоты в работу, а Майер установил механический эквивалент теплоты. Опытным путем он пришел к выводу, что теплоемкости газа при постоянном давлении (С
) и при постоянном объеме (С
) неодинаковы (С
> С
). Рассматривая теплоту как «силу», то есть энергию, Майер объяснил неодинаковость теплоемкости.
При вычислении теплоты по формуле dС = С
– С
, он сопоставил теплоту с работой А и получил механический эквивалент теплоты. Его исследования дополнил Джоуль, получивший точный результат механического эквивалента теплоты. В результате работ Майера, Джоуля и Гельмгольца был открыт закон сохранения энергии.
Появление термодинамики как раздела физики прежде всего связано с работами Майера, Джоуля, Гельмгольца, Клаузиуса, Кельвина, Карно. Рождению термодинамики способствовали исследования Карно, ориентированные на практическое применение тепловых машин, а свое название термодинамика получила благодаря Кельвину. Значимыми в термодинамике являются обе части слова: термо, то есть теплота, не входившая как понятие в классическую физику, и динамика, движение, работа – сразу вносившая ясность, что процессы в этом разделе физики не будут рассматриваться как статичные.
Термодинамика изучает особенности превращения тепловой формы движения в другие, не учитывая микроскопического движения частиц, составляющих вещество. В термодинамике существует более мелкое деление структуры – на: а) термодинамику равновесных систем или систем, переходящих к равновесию (классическая, или равновесная термодинамика); б) термодинамику неравновесных систем (неравновесная термодинамика). Классическая термодинамика сформировалась к середине XIX в., а неравновесная термодинамика – ко второй половине XX в.
Параллельно с термодинамикой получила развитие молекулярно-кинетическая теория, изучающая макроскопические проявления систем как результаты суммарного действия совокупности хаотически движущихся молекул. В отличие от термодинамики, для которой очень важны точные и конкретные показатели, поскольку от этого зависит работоспособность системы, в молекулярно-кинетической теории принято пользоваться статистическим методом, который сводит все показатели к среднестатистическим величинам.
При изучении действия молекул молекулярно-кинетическая теория не учитывает особенностей движения той или иной молекулы, важна лишь средняя величина, позволяющая выявить характеристики движения массы частиц. По методу исследования молекулярно-кинетическая теория получила название статистической физики. Иными словами, механическая физика в XIX в. распалась на два направления: термодинамика и молекулярно-кинетическая теория. Законы, которыми оперировала классическая физика, были пересмотрены и уточнены.
Впервые идею о том, что всякое тело имеет внутреннюю энергию (U), высказал ученый Клаузиус, и именно эта его мысль легла в основу первого закона (начала) термодинамики. Сам Клаузиус называл эту энергию теплом, содержащимся в теле, в отличие от тепла, сообщенного телу (Q). Экспериментальным путем было установлено, что эту внутреннюю энергию можно увеличить двумя способами: либо совершив над телом механическую работу (А), либо нагрев или охладив само тело, то есть передав ему количество теплоты (Q). Следовательно, формула внутренней энергии определяется следующим равенством: dU = Q – A.
Разбирая динамику газов, Кельвин вывел определение, что количество теплоты, сообщенное газу, идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение газом внешней работы, то есть Q = dU + A, а для бесконечно малых изменений dQ = dU + dA. В физике первое начало термодинамики получило название закона сохранения энергии. Согласно этому закону была навсегда похоронена популярная в XIX в. идея создания вечного двигателя, поскольку без источника питания совершение работы невозможно.
В своих исследованиях Майер выявил 25 случаев превращения работы в тепло: механическая работа, электричество, химическая «сила» вещества, теплота, электричество и т. д. Распространив закон сохранения энергии и на биологические системы, к превращению энергии в живых организмах он отнес поглощение пищи, химические процессы в организме, тепловые и механические эффекты. Закон сохранения энергии был применен Гессом для объяснения химических реакций, а в результате деятельности Фарадея, Ленца и Джоуля был сформулирован так называемый закон Джоуля—Ленца о связи электрической и тепловой энергии, выражающийся формулой: Q = I
· R · t.
Благодаря постоянной полувековой работе по изучению термодинамики был определен ее ведущий принцип, который коротко можно сформулировать следующим образом: энергия не появляется ниоткуда и не исчезает бесследно, ее количество в природе постоянно и может только перераспределяться и превращаться из одного вида в другой.
Первичная формулировка второго начала термодинамики принадлежит Фурье и выглядит следующим образом: количество теплоты, которое переносится в единицу времени через единицу площади поверхности вдоль какого-либо направления, прямо пропорционально величине изменения температуры вдоль этого направления.
Явление переноса теплоты получило название теплопроводности. Характерной особенностью теплопроводности является равномерное распределение тепла по всему объекту, передача тепла из нагретых областей до тех пор, пока система не придет в равновесие. Процесс передачи тепла зависит от времени и необратим (то есть идет в одну сторону и не может быть повернут вспять). Необратимость теплопроводности экспериментальным путем установил Карно, описав действие паровой машины.
В физику открытые Карно закономерности вошли под названием идеального цикла Карно. Ученый, рассматривая работу паровой машины, заметил, что горячий пар после выхода из поршня оказывается в воздухе с меньшей температурой, превращается в конденсат и далее выводится из цикла. Ему показалось расточительным такое использование пара, и Карно решил создать паровую машину полного цикла, когда пар не выводится из обращения, а вновь поступает в котел, нагревается, приводит в движение поршень и т. д. Но для реализации идеи оказалось необходимым выполнить два условия: иметь возможность нагреть пар и иметь возможность достаточно его охладить. Процесс нагрева получил название изотермического, процесс охлаждения – адиабатического.
В полном цикле два изотермических и два адиабатических процесса: нагреватель поднимает температуру газа, газ расширяется, передает тепло охладителю и газ сжимается. Теплота (Q
– Q
) будет равна совершенной работе А.
Коэффициент полезного действия цикла Карно примет вид: КПД = A
/Q
= (Q
– Q
)/Q
или (после приведения): КПД = (Q
– Q
)/Q
= 1 – Q
/Q
= 1 – T
/T
= (T
– T
)/T
Формирование термодинамической картины мира связано с быстрым ростом промышленного прогресса в XIX в., получившего название промышленной революции. Развитие капитализма способствовало ускоренному количественному и качественному росту технических изобретений, причем основанных на самых передовых научных идеях. Человечество открыло для себя паровой котел. Стали изобретаться и внедряться в производство все новые и новые паровые машины. Их использовали сначала стационарно (паровые двигатели для помола зерна, для суконных и других мануфактур), затем стали применять и для замены традиционного средства передвижения (животные), поставив паровую машину на рельсы. Так возникли первые паровозы. Мир начал стремительно развиваться. Наука полностью вышла из-под контроля Церкви, в обществе возникло понимание, что технические изобретения способствуют и росту благосостояния, делают жизнь удобнее и приятнее.
Наука откликнулась на новые желания общества: ученые включились в изучение теплоты, занялись теоретическими исследованиями, например, Фурье вывел дифференциальное уравнение теплопроводности, Никола Карно занялся увеличением работоспособности тепловых машин, Клапейрон обратил внимание на исследование свойств газообразного вещества и вывел уравнение состояния газа, физик Клаузиус разработал принцип эквивалентности теплоты и работы, ввел понятия внутренней энергии и взаимопревращения энергии.
Эксперимент стал ведущим средством для проверки жизнеспособности новых теорий. Срок от экспериментальной проверки до технического внедрения сократился до минимума. Классическая механика для этого общества устарела. Она не отвечала духу времени. Сложные явления оказалось невозможным объяснить в позиций классической механики. К таким явлениям относились тепловая энергия и понятие фазового перехода. Не укладывающимися в теорию при изучении теплоты оказались такие факты, как наличие одинаковых следствий при разных причинах и несоответствие состояния атомов состоянию системы в целом. Новая теория получила название термодинамической, а новая картина мира – термодинамической картины мира.
В механике существовало понятие механической работы, которое определялось произведением приложенной силы на энергию, необходимую для производства работы: А = F · x. Способов передачи кинетической энергии другому телу в механике было всего два: либо приложение некой силы к другому телу, либо толчок при ударе (отсюда и все рассуждения о первотолчке Бога). Если другое тело перемещалось, то полученная им кинетическая энергия растрачивалась полностью. Но в некоторых случаях такая энергия не растрачивалась (сжатие пружины, подъем тела на высоту), а накапливалась (например, как в сжатой пружине). Накопленная, но не использованная энергия называлась потенциальной.
Потенциальная энергия, по современным понятиям, накапливается в составляющих тело мельчайших частицах. Механика не занималась состоянием частиц, она ограничивалась признанием того, что потенциальной энергией обладают деформированные тела, застрявшие в процессе деформации. Величина потенциальной энергии в механике определяется величиной работы, которую данное тело может совершить, приходя в равновесное состояние с системой тел (разжавшаяся пружина, опущенный вниз груз).
Расчет был верен при соблюдении двух условий: изолированности всей системы и ее консервативности (то есть независимости от движения и зависимости от взаимного расположения или конфигурации тел).
В то же время расчет становился неверным, если работа данных сил зависела от формы пути или силы зависели от скорости движения, если в действие включались «непредусмотренные» силы, такие как сила трения (при этом часть работы рассеивается). Грубо говоря, точно рассчитать работу в механике можно было, исключив «лишние» факторы, то есть перейдя с теоретического на практический уровень, где система по определению не может быть консервативной и изолированной.
По сути, закон сохранения механической энергии работал только для определенного типа явлений, когда трением можно было пренебречь (например, при коротком времени воздействия). Массированный переход к внедрению технических изобретений из лабораторий в промышленное производство требовал прежде всего ответа на вопрос, как и куда уходит потенциальная энергия, совершая работу. Классическая механика ответить на него не могла.
Теплота и температура как понятия до середины XIX в. были в естествознании синонимами. Этому способствовало существование дополнительного компонента – теплорода. Под теплородом понималась особая составляющая всех материальных тел, способная изнутри нагревать эти тела. Смертельный удар по теплороду нанес ученый Румфорд.
Он решил провести опыты с трением. Теория теплорода объясняла, что при трении из объектов выжимается жидкий теплород, из-за чего изменяется их теплоемкость. Румфорд провел эксперимент по сверлению пушечного ствола и четко зафиксировал результаты: время сверления 150 минут, за счет трения совершена работа, достаточная для испарения 12 кг воды, в то же время получено 270 г металлической стружки, имеющей ту же теплоемкость, что и отливка.
Поскольку источник теплоты, происходящей от трения, был неисчерпаем, а изолированное тело или система тел не может поставлять теплород без ограничения, то полученная теплота теплородом объясняться не может. Так было доказано, что теплорода не существует.
В 1827 г. Карно провел теоретический анализ процесса превращения теплоты в работу, а Майер установил механический эквивалент теплоты. Опытным путем он пришел к выводу, что теплоемкости газа при постоянном давлении (С
) и при постоянном объеме (С
) неодинаковы (С
> С
). Рассматривая теплоту как «силу», то есть энергию, Майер объяснил неодинаковость теплоемкости.
При вычислении теплоты по формуле dС = С
– С
, он сопоставил теплоту с работой А и получил механический эквивалент теплоты. Его исследования дополнил Джоуль, получивший точный результат механического эквивалента теплоты. В результате работ Майера, Джоуля и Гельмгольца был открыт закон сохранения энергии.
Появление термодинамики как раздела физики прежде всего связано с работами Майера, Джоуля, Гельмгольца, Клаузиуса, Кельвина, Карно. Рождению термодинамики способствовали исследования Карно, ориентированные на практическое применение тепловых машин, а свое название термодинамика получила благодаря Кельвину. Значимыми в термодинамике являются обе части слова: термо, то есть теплота, не входившая как понятие в классическую физику, и динамика, движение, работа – сразу вносившая ясность, что процессы в этом разделе физики не будут рассматриваться как статичные.
Термодинамика изучает особенности превращения тепловой формы движения в другие, не учитывая микроскопического движения частиц, составляющих вещество. В термодинамике существует более мелкое деление структуры – на: а) термодинамику равновесных систем или систем, переходящих к равновесию (классическая, или равновесная термодинамика); б) термодинамику неравновесных систем (неравновесная термодинамика). Классическая термодинамика сформировалась к середине XIX в., а неравновесная термодинамика – ко второй половине XX в.
Параллельно с термодинамикой получила развитие молекулярно-кинетическая теория, изучающая макроскопические проявления систем как результаты суммарного действия совокупности хаотически движущихся молекул. В отличие от термодинамики, для которой очень важны точные и конкретные показатели, поскольку от этого зависит работоспособность системы, в молекулярно-кинетической теории принято пользоваться статистическим методом, который сводит все показатели к среднестатистическим величинам.
При изучении действия молекул молекулярно-кинетическая теория не учитывает особенностей движения той или иной молекулы, важна лишь средняя величина, позволяющая выявить характеристики движения массы частиц. По методу исследования молекулярно-кинетическая теория получила название статистической физики. Иными словами, механическая физика в XIX в. распалась на два направления: термодинамика и молекулярно-кинетическая теория. Законы, которыми оперировала классическая физика, были пересмотрены и уточнены.
Впервые идею о том, что всякое тело имеет внутреннюю энергию (U), высказал ученый Клаузиус, и именно эта его мысль легла в основу первого закона (начала) термодинамики. Сам Клаузиус называл эту энергию теплом, содержащимся в теле, в отличие от тепла, сообщенного телу (Q). Экспериментальным путем было установлено, что эту внутреннюю энергию можно увеличить двумя способами: либо совершив над телом механическую работу (А), либо нагрев или охладив само тело, то есть передав ему количество теплоты (Q). Следовательно, формула внутренней энергии определяется следующим равенством: dU = Q – A.
Разбирая динамику газов, Кельвин вывел определение, что количество теплоты, сообщенное газу, идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение газом внешней работы, то есть Q = dU + A, а для бесконечно малых изменений dQ = dU + dA. В физике первое начало термодинамики получило название закона сохранения энергии. Согласно этому закону была навсегда похоронена популярная в XIX в. идея создания вечного двигателя, поскольку без источника питания совершение работы невозможно.
В своих исследованиях Майер выявил 25 случаев превращения работы в тепло: механическая работа, электричество, химическая «сила» вещества, теплота, электричество и т. д. Распространив закон сохранения энергии и на биологические системы, к превращению энергии в живых организмах он отнес поглощение пищи, химические процессы в организме, тепловые и механические эффекты. Закон сохранения энергии был применен Гессом для объяснения химических реакций, а в результате деятельности Фарадея, Ленца и Джоуля был сформулирован так называемый закон Джоуля—Ленца о связи электрической и тепловой энергии, выражающийся формулой: Q = I
· R · t.
Благодаря постоянной полувековой работе по изучению термодинамики был определен ее ведущий принцип, который коротко можно сформулировать следующим образом: энергия не появляется ниоткуда и не исчезает бесследно, ее количество в природе постоянно и может только перераспределяться и превращаться из одного вида в другой.
Первичная формулировка второго начала термодинамики принадлежит Фурье и выглядит следующим образом: количество теплоты, которое переносится в единицу времени через единицу площади поверхности вдоль какого-либо направления, прямо пропорционально величине изменения температуры вдоль этого направления.
Явление переноса теплоты получило название теплопроводности. Характерной особенностью теплопроводности является равномерное распределение тепла по всему объекту, передача тепла из нагретых областей до тех пор, пока система не придет в равновесие. Процесс передачи тепла зависит от времени и необратим (то есть идет в одну сторону и не может быть повернут вспять). Необратимость теплопроводности экспериментальным путем установил Карно, описав действие паровой машины.
В физику открытые Карно закономерности вошли под названием идеального цикла Карно. Ученый, рассматривая работу паровой машины, заметил, что горячий пар после выхода из поршня оказывается в воздухе с меньшей температурой, превращается в конденсат и далее выводится из цикла. Ему показалось расточительным такое использование пара, и Карно решил создать паровую машину полного цикла, когда пар не выводится из обращения, а вновь поступает в котел, нагревается, приводит в движение поршень и т. д. Но для реализации идеи оказалось необходимым выполнить два условия: иметь возможность нагреть пар и иметь возможность достаточно его охладить. Процесс нагрева получил название изотермического, процесс охлаждения – адиабатического.
В полном цикле два изотермических и два адиабатических процесса: нагреватель поднимает температуру газа, газ расширяется, передает тепло охладителю и газ сжимается. Теплота (Q
– Q
) будет равна совершенной работе А.
Коэффициент полезного действия цикла Карно примет вид: КПД = A
/Q
= (Q
– Q
)/Q
или (после приведения): КПД = (Q
– Q
)/Q
= 1 – Q
/Q
= 1 – T
/T
= (T
– T
)/T
Другие электронные книги автора Т. В. Карпова
Последний отзыв
Книга довольно хорошо написана в виде рассказов старого человека молодому парню, основанных на событиях его реальной жизни, охватывающей период с нача...
Далее