Ученые термодинамики
Ученые термодинамики
- Цикл Карно
- Анри Виктор Реньо
- Последующее становление термодинамики
Наука о термодинамике начала стремительно развиваться с появлением первого термометра, прибора, измеряющего температуру. Тогда он назывался термоскоп, изобрел его Галилей еще во второй половине 16 века.
Термоскоп Галилея был сконструирован в 1592 году. Это был первый прибор для фиксирования изменений температуры. Позже данный прибор был усовершенствован флорентийскими учеными. Они добавили к нему шкалу и откачали воздух.
Вторая половина 18 столетия ознаменована появлением первой паровой машины и началом революции в промышленности. Ученые вовсю вели работу по поиску всевозможных методов для повышения эффективности применения законов термодинамики. Сади Карно в 20-х годах 19 столетия написал свой труд «О движущей и могучей силе огня и машинах, способных развивать эту мощь», где определил коэффициент полезного действия и эффективность работы паровых машин. Его труд фактически был началом науки под названием – термодинамика, хотя данная работа достаточно долго не была известна современным ученым.
Цикл Карно
Поскольку физическое тело стремится вернуться в свое начальное состояние, изменение внутренней энергии приравнивается к нулю. Таким образом, вся теплота расходуется на совершение работы:
\(A=Q_{AB}-Q_{CD}\)
Коэффициент полезного действия тепловой машины – это отношение работы, произведенной за полный цикл, к получаемому теплу:
\(η = {A\over Q_{AB}} = {Q_{AB}-Q_{CD}\over Q_{AB}}\)
Ученый из Франции Сади Карно в 20-х годах 19 столетия комплексно объяснил общественности принципы работы тепловых машин. Тогда еще суть теплового обмена, как меры энергетических взаимодействий, не определили и зачастую применяли теорию о теплороде. Карно тогда выдвинул гипотезу, которая, по сути, описывала второй закон термодинамики.
В цикле Карно выделяют четыре основных этапа, протекание которых возможно либо при постоянной температуре, либо при постоянной энтропии. Это изотермическое и адиабатическое сжатие, а также изотермическое и адиабатическое расширение.
Цикл Карно изображают в системе зависимости T (температуры) от S (энтропии). Ученый вывел идеальные условия работы тепловых машин, когда применяют два источника тепла при постоянстве их показателей. Одним источником является очень горячее тело, а вторым – очень холодное тело.
В подобных условиях цикл является максимально идеальным, он включает обратимые физические процессы теплового обмена.
В цикле Карно горячим источником тепловой энергии с T1=const периодически передается тепло материальному объекту, равномерно распределяются все составляющие системы, тепловая энергия по изотерме отдается действующему веществу.
Анри Виктор Реньо
В начале 19 столетия правительством Франции было принято решение профинансировать научную деятельность выдающегося физика Анри Виктора Реньо, который поставил перед собой задачу изучить количественные показатели работы паровых машин. Он лично построил лабораторию в своем саду College de France.
Ученый хорошо оборудовал свою научную лабораторию. Он проводил термодинамические эксперименты, используя разнообразное оборудование, здесь были и разнообразные газометры, огромные манометры, достигающие 20 м в дину, термометры, барометры и прочее оборудование. Он исследовал скрытую теплоту жидкости в момент ее перехода из газообразного состояния.
Методы исследования тепловых процессов, которые предложил Реньо, долгое время использовались всеми научными и учебными лабораториями. В 20 веке все практикумы в университетах были построены на этих методах. Официальные публикации исследований Реньо появились лишь в 30-х годах 20 столетия. В одном научном издании в 1847 году был размещен первый труд Анри «Сообщение об экспериментах предприятий по распоряжению представителей общественных работ». К сожалению, весной 1870 года лабораторию Реньо, а также результаты его последних исследований разрушили немцы, когда захватили Париж.
Этот ученый признан заслуженным экспериментатором в физике, хотя по сути он не выдвинул никаких новейших научных идей. Его оценили за его скептическое отношение к неоправданному обобщению фактов и положений, принимавшихся в качестве законов, но при этом имевшие серьезные погрешности.
Последующее становление термодинамики
В процессе последующего становления термодинамики было совершено ряд открытий, что естественным образом привело к некоторым трудностям описания термодинамических явлений. Джоулем и Майером был сформулирован универсальный закон преобразования и сохранения энергии, в котором они установили количественную связь тепловой энергии и механической работы.
Опыты Гей-Люссака послужили основой для формулировки закона равномерного расширения идеального газа. Термоэффекты, продемонстрированные в последующих исследованиях Пуассона и Лапласа, позволили решить давнюю задачу расчета звуковой скорости. Исследуя физические процессы, возникающие при высокоскоростном звуке, в 20-х годах 19 столетия Пуассон выдвинул и обосновал математическую гипотезу об адиабатических явлениях в системах, происходящих в условиях отсутствия теплового обмена с внешней средой.
Ряд опытов, проведенные во второй половине 19 века Гиббсом, имели огромное значение для термодинамического учения. Данные исследования позволили построить комплексный метод термодинамических потенциалов, изучить работу термодинамических систем в состоянии абсолютного равновесия и развить теорию нестабильных фаз и процессов.
Немалое значение в развитие термодинамики внесли исследования ученых Рудольфа Клаузиуса, Вальтера Нернста и Сади Карно. В экспериментах Вальтера Нернста был достигнут наивысший коэффициент полезного действия паровой машины, результаты которого были опубликованы в 1924 году. Данный эксперимент позволил увидеть четкое понимание того, что теплота легко переходит в работу при постепенном перетекании тепловой энергии от горячего источника к холодному.
Серьезный вклад в развитие термодинамики внесли работы немецких ученых Гельмгольца, Клаузиуса, Майера, а также исследователей из Америки – Томсона и Джоуля. Они создали систему законов и положений, где использовали все предыдущие знания о тепловой энергии.