|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ВАЖЛИВІ НАУКОВІ ВІДКРИТТЯ
Другий закон термодинаміки. Історія та суть наукового відкриття
Довідник / Найважливіші наукові відкриття Англієць Гемфрі Деві (1788–1829) став професором у 23 роки, заслужив багато наукових та громадських нагород, та до того ж додав до свого імені звернення "сер", був обраний президентом Лондонського Королівського товариства. За своє довге життя у науці він провів багато вдалих експериментів. На початку дев'ятнадцятого століття Деві вдалося розплавити тертям лід за температури нижче нуля. Пізніше досвід повторив російський учений Петров. Бенджамен Томпсон (1753–1814), який емігрував з Америки після переможного завершення Війни за незалежність і отримав у Баварії титул графа Румфорда, опублікував у 1798 році результати дослідів зі свердління гарматних стволів. В одному з його дослідів при 960 оборотах бура температура циліндра, що просвердлюється, піднялася на 37 градусів Цельсія. Деві дійшов висновку, що теорія теплорода несумісна як з дослідами Румфорда, так і з його власними, і висунув кінетичну теорію тепла, згідно з якою теплота є коливальним рухом частинок тіла, причому для газів і рідин він допускав і обертальний рух частинок. До коливальної теорії тепла долучився і Юнг. І все-таки теорія теплороду продовжувала панувати. Два найбільш фундаментальних твори з теорії тепла, які стосуються аналізованого періоду, - твори, які по праву увійшли до золотого фонду наукової літератури, - засновані на концепції теплорода. Перше з цих творів, "Аналітична теорія тепла" Фур'є, вийшло в 1822 році в Парижі і є результатом його багаторічних досліджень в галузі математичної фізики. Інший твір належав синові відомого французького математика Лазара Карно Саді Карно. Ніколо Леонар Саді Карно (1796–1832) навчався у Політехнічній школі. З 1814 він працює військовим інженером, а з 1819-го складається лейтенантом при генеральному штабі. Як син республіканського міністра, що у вигнанні, Карно було просуватися по службі й у 1828 року вийшов у відставку. Він помер від холери. Твір "Роздум про рушійну силу вогню", що вийшов у 1824 році, був єдиною закінченою роботою Карно. Карно пише: "Тепло - не що інше, як рушійна сила або, вірніше, рух, що змінив свій вигляд; це рух частинок тіл; всюди, де відбувається знищення рушійної сили, виникає теплота, в кількості, точно пропорційній кількості зниклої рушійної сили. Назад : завжди при зникненні тепла виникає рушійна сила. Таким чином, можна висловити загальне положення: рушійна сила існує в природі у незмінній кількості; вона, власне, ніколи не створюється, ніколи не знищується; насправді вона змінює форму, тобто викликає один род руху, то інший, але ніколи не зникає. За деякими уявленнями, що склалися у мене щодо теорії тепла, створення одиниці сили потребує витрати 2,7 одиниць тепла”. З приводу цих рядків знаменитий французький вчений Анрі Пуанкаре захоплено вигукне 1892 року: "Чи можна ясніше і точніше висловити закон збереження енергії?" Будучи інженером, Карно займався розрахунком та будівництвом водяних двигунів. Але оскільки на той час по всій Франції стали все частіше застосовувати парові машини, то молодий інженер захопився створенням теорії теплових машин. Тоді ще в науці панували погляди, що теплота є речовиною. Але Саді Карно вирішив відповісти на одне з найважчих питань фізики; за яких обов'язкових умов можливе перетворення теплоти на роботу? Добре знайомий з розрахунком водяних двигунів Карно уподібнив теплоту воді. Він чудово знав: для того, щоб водяний млин працював, потрібна одна умова - вода повинна падати з високого рівня на низький. Карно припустив: щоб теплота могла виконувати роботу, вона теж повинна переходити з високого рівня на низький і різниця висот для води відповідає різниці температур для теплоти. У 1824 році Саді Карно висловив думку, завдяки якій він увійшов в історію: для роботи в тепловій машині необхідна різниця температур, необхідні два джерела теплоти з різними температурами. Це твердження теоретично Карно є основним і називається принципом Карно. На основі виведеного ним принципу Карно вигадав цикл ідеальної теплової машини, яку не може перевершити жодна реальна машина. Ідеальна машина, по Карно, була простим циліндром з поршнем. Нижня стінка циліндра має ідеальну теплопровідність, його можна поставити на гарячу поверхню, наприклад, на поверхню нагрівача, наповненого сумішшю розплавленого та твердого свинцю, або на поверхню холодильника, наприклад, із сумішшю води та льоду. Обидва джерела теплоти нескінченно великі. Другий закон термодинаміки стверджує, що вічний двигун другого роду неможливий. Це твердження є переказом принципу Карно, і, отже, коефіцієнт корисної дії машини, що працює за циклом Карно, неспроможна залежати від речовини, що у циклі. Карно описав цикл роботи ідеальної теплової машини, показав як можна розрахувати її максимальний ККД. Для цього необхідно лише знати найвищу і найнижчу температуру водяної пари (або будь-якого іншого теплоносія, як зазначив Карно), що використовується в даній машині. Різниця між цими температурами, поділена на значення високої температури, дорівнює ККД машини. Температури при цьому необхідно виражати у градусах абсолютної шкали Кельвіна. Це рівняння називається другим початком термодинаміки, йому підпорядковується вся техніка. Розрахунок за формулою Карно показав, що перші теплові машини не могли мати ККД вище 7–8 відсотків, а якщо врахувати неминучі витоки тепла в атмосферу, то набуте значення 2–3 відсотки слід визнати значним досягненням... Досить швидко поряд із парою, як і передбачав Карно, у турбінах стали використовувати й газ, який можна нагріти до високої температури. Якщо температура гарячого газу в турбіні 800 градусів Кельвіна (527 градусів Цельсія), а холодильник зменшує її до 300 градусів Кельвіна, то максимальний ККД машини, навіть у разі роботи з ідеальним циклом Карно, не може бути вищим за 62 відсотків. Неминучі теплові втрати призводять, як завжди, до зменшення цієї цифри. У найкращих зразків турбін, встановлених на сучасних електростанціях, ККД становить 35–40 відсотків. Карно вказав на специфічну особливість теплоти. Теплота створює механічну роботу лише за теплового " перепаду " , т. е. наявності різниці температур. Цією різницею температур визначається коефіцієнт корисної дії теплових машин. Поль Клапейрон в 1834 розвинув думки Карно і ввів дуже цінний в термодинамічних дослідженнях графічний метод. В 1850 вийшла перша робота Рудольфа Клаузіуса (1822-1888) "Про рушійну силу теплоти", в якій знову після Карно і Клапейрона було поставлене питання про умови перетворення тепла в роботу. Принцип збереження енергії, вимагаючи лише кількісної рівності, жодних умов якісного перетворення енергій не накладає. У цій роботі Клаузіус розбирає теорію Карно з нового погляду, з погляду механічної теорії тепла. Робота Карно була незадовго перед цим воскрешена з праху забуття Вільямом Томсоном (Лорд Кельвін) (1824-1907). "Томсон визнає, - пише у своїй книзі "Історія фізики" П.С.Кудрявцев, - що погляд Карно, що теплота в машинах тільки перерозподіляється, але не споживається, невірний". Але одночасно він вказує, що якщо відмовитися від висновків Карно щодо умов перетворення тепла на роботу, то трапляються непереборні труднощі. Томсон робить висновок, що теорія тепла вимагає серйозної перебудови та додаткового експериментального дослідження. У своїй роботі Клаузіус вважає, що поряд з першим початком, що говорить, "що у всіх випадках, коли теплота виконує роботу, споживається кількість тепла, пропорційна отриманій роботі", слід зберегти як друге початок положення Карно, що робота проводиться при переході тепла від більш нагрітого тіла до холодного. Це положення, на думку Клаузіуса, узгоджується з природою тепла, в якій завжди спостерігається перехід тепла "сам собою" від гарячого тіла до холодного, а не навпаки. Як другий початок Клаузіус і висуває постулат: "Теплота не може "сама собою" перейти від холоднішого тіла до теплішого". Слова "сама собою" не повинні означати, що теплоту взагалі не можна перевести від холодного тіла до нагрітого (інакше не були б можливі холодильні машини). Вони означають, що не може бути таких процесів, єдиним результатом яких був би згаданий перехід, без відповідних інших "компенсаційних" змін. Слідом за цією роботою майже одночасно у 1851 році з'явилися три доповіді Томсона. Розглянувши питання перетворення різних форм енергії з кількісної боку, Томсон вказує, що з однакової кількісної величині в повному обсязі види енергії здатні до перетворення однаковою мірою. Наприклад, існують умови, за яких перетворення тепла на роботу неможливе. Постулат Томсона каже: "За допомогою неживого тіла неможливо отримати механічну дію від будь-якої маси речовини шляхом охолодження її температури нижче температури найхолоднішого з навколишніх тіл". Розвиваючи це положення, Томсон у роботі 1857 року приходить до відомого висновку про панівну в природі тенденцію до переходу енергії в теплоту і до вирівнювання температур, що призводить в кінцевому рахунку до зниження працездатності всіх тіл до нуля, до теплової смерті. У 1854 році Клаузіус у статті "Про змінену форму другого початку механічної теорії тепла" доводить теорему Карно, виходячи зі свого постулату, і, узагальнюючи її, дає математичне вираження другого початку у вигляді нерівності для кругових процесів. У наступних роботах Клаузіус запроваджує функцію стану "ентропію" і дає математичне формулювання тенденції, розглянутої Томсоном, у вигляді положення "Ентропія всесвіту прагне максимуму". Так було у фізиці поруч із " царицею світу " (енергією) з'явилася її " тінь " (ентропія). Сам Клаузіус в кінці своєї роботи 1865 пише: "Друге початок у тому вигляді, який я йому надав, говорить, що всі відбуваються в природі перетворення в певному напрямку, яке я прийняв як позитивне, можуть відбуватися самі собою, тобто. без компенсації, але у зворотному, т. е. у негативному, напрямі можуть відбуватися лише за умови, якщо вони компенсуються що відбуваються одночасно з ними позитивними перетвореннями". Застосування цього початку до Всесвіту призводить до висновку, на яке вперше вказав Вільям Томсон. Справді, якщо при всіх змінах стану перетворення, що відбуваються у Всесвіті, в одному певному напрямку постійно переважають за своєю величиною над перетвореннями в протилежному напрямку, то "загальний стан Всесвіту повинен все більше і більше змінюватися в першому напрямку, і, таким чином, він повинен безперервно наближатися до граничного стану. Автор: Самін Д.К.
▪ Основний закон електростатики ▪ біосфера
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Роботи NASA на допомогу землянам ▪ Подорожі в часі без тимчасових парадоксів
▪ розділ сайту Гірлянди. Добірка статей ▪ стаття За тих, хто в дорозі! Крилатий вислів ▪ стаття Чому на екваторі маса людини приблизно на 1 % менша, ніж на полюсі? Детальна відповідь ▪ стаття Польський вузол. Поради туристу ▪ стаття Водний клейовий лак. Прості рецепти та поради ▪ стаття Роздільні LC-фільтри в багатосмугових УМЗЧ. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page