Возникновение и развитие термодинамики. Карно.

       Если в 18 веке в физике (за исключением механики) господствовал эксперимент, так что физику определяли как науку «о всем том, что через опыты познать можно», то в 19 веке картина начинает меняться.

       В общей обстановке эмпиризма лишь два исследования теоретического характера, выполненные в первой четверти столетия, стоят особняком. Первое исследование носило математический характер и оказало существенное влияние на развитие математической физики. Оно было выполнено французским математиком Жан Батистом Фурье (1768-1830). Его работа «Аналитическая теория тепла» содержала математическую теорию теплопроводности, которой Фурье занимался начиная с 1807г. Он вывел дифференциальное уравнение теплопроводности и разработал методы его интегрирования при заданных краевых условиях для некоторых частных случаев.

       Фурье рассматривал теплоту как некоторую жидкость (теплород). Большего ему не требовалось, и его теория казалась одним из достижений теории теплорода. Эту же теорию разделял и другой замечательный ученый, военный инженер Сади Карно (1796-1832). В 1812 г. он поступил в Политехническую школу и окончил ее военным инженером в 1814 г. В 1824 г. был издан его главный труд «Размышления о движущей силе огня». Через 4 года он вышел в отставку в чине капитана. Умер он в августе 1832г.

       Сочинение Карно явилось началом термодинамики. Он ввел в термодинамику метод циклов. Цикл Карно описывается сегодня во всех учебниках физики. В них он сопровождается диаграммой процесса и расчетами для идеального газа, которых нет у Карно. Диаграмма и расчеты были даны в 1834 г. Клайпероном, который повторил работу Карно.

       Бенуа Поль Эмиль Клайперон (1799-1864), французский академик и инженер, был в 1820-1830 гг. профессором Петербургского института инженеров путей сообщения. В 1834 г. он дал общеупотребительную форму трактовки цикла Карно и объединенное уравнение газового состояния. Ему принадлежит вывод зависимости точки плавления от давления (уравнение Клайперона - Клаузиуса).

       Общий вывод Карно формулирует следующим образом: «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми в конечном счете происходит перенос теплорода».

       Вывод этот вошел в термодинамику в качестве фундаментально принципа, а сама работа Карно, изложенная Клайпероном и напечатанная в 1843г. на немецком языке в «Анналах» Поггендорфа, послужила исходным пунктом для исследований В.Томпсона и Р.Клаузиуса, приведших к открытию второго начала термодинамики.

       Хотя Карно в своей работе опирался на неверную теорию теплорода, его глубокий ум скоро почувствовал недостатки этой теории. Он пишет: «Тепло не что иное, как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел; повсюду, где происходит уничтожение движущей силы,, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила».

       Если изменить слова «движущая сила» словом «энергия», то мы получим законченную формулировку закона сохранения энергии. В последней формулировке Карно дает значение механического эквивалента теплоты. Оно равно 370 кгс/м на 1 ккал, т.е. имеет правильный порядок величины.

 

Открытие закона сохранения и превращения энергии.

           

       Воззрения на теплоту как форму движения мельчайших «нечувствительных» частиц материи высказывались еще в XYII в. Ф.Бэкон, Декарт, Ньютон, Гук и многие другие приходили к мысли, что теплота связана с движением частиц вещества. Но со всей полнотой и определенностью эту идею разрабатывал и отстаивал Ломоносов. Однако он был в одиночестве, его современники переходили на сторону концепции теплорода, и, как мы видели, эта концепция разделялась многими выдающимися учеными XIX столетия.

       В 1798 г Б.Томпсон (1753-1814), ставший с 1790 г графом Румфордом, сделал в мюнхенских военных мастерских важное наблюдение: при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура поднялась на 70 градусов Фаренгейта. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой. В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Этот опыт Румфорд считал доказательством того, что теплота является формой движения.

       Многие не специалисты сыграли большую роль в утверждении великого закона. Врач Майер, пивовар Джоуль, врач Гельмгольц – вот те три человека, за которыми история науки навсегда закрепила славу открывателей закона сохранения и превращения энергии.

       Майер. Юлиус Роберт Майер родился в 1814г в семье аптекаря. Он получил медицинское образование и отправился в качестве врача на о.Ява. В течение годичного плавания врач Майер пришел к своему великому открытию. По его словам, на этот вывод его натолкнули наблюдения над изменением цвета крови у людей в тропиках. Проводя многочисленные кровопускания на рейде в Батавии, Майер заметил, «что кровь, выпускаемая из ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что, судя по цвету, я мог бы думать. Что я попал в артерию». Он сделал вывод, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, т.е. артериальной и венозной… Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме»

       Майер умер в 1878 г. Незадолго до смерти, в 1874 г вышло собрание его трудов по закону сохранения и превращения энергии под заглавием «Механика тепла». В 1876 г. вышли его последние сочинения «О торричеллиевой пустоте» и «Об освобождении сил».

       Джоуль. Джеймс Прескотт Джоуль, манчестерский пивовар, родился в декабре 1818г. Он рано увлекся электрическими исследованиями и конструированием электрических приборов, которые описывал в специальном журнале. В 1841 г. он опубликовал статью о тепловом эффекте электрического тока, в которой установил, что количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока.

Задолго до Джоуля аналогичные исследования были начаты петербургским академиком Э.Х.Ленцем, который опубликовал свою работу в 1843 г Ленц упоминает о работе Джоуля и считает, что хотя его результаты в «основном совпадают с результатами Джоуля», они свободны от тех обоснованных возражений., которые вызывают работы Джоуля.

Точность и обстоятельность опытов Ленца обеспечили признание закона, вошедшего в науку под названием закона Джоуля-Ленца.

В работе «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом эффекте теплоты» Джоуль сформулировал вывод, что теплоту можно создавать с помощью механической работы, используя магнитоэлектричество (электромагнитную индукцию), и эта теплота пропорциональна квадрату силы индукционного тока.

Механический эквивалент тепла, вычисленный Джоулем, равен 460 кгс м/ккал. Этот вывод приводит Джоуля к более общему выводу, который он обещает проверить в дальнейших экспериментах: «Могучие силы природы … неразрущимы, и …во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, получается точное эквивалентное количество теплоты». Он утверждает, что животная теплота возникает в результате химических превращений в организме и что сами химические превращения являются результатом действия химических сил, возникающих из «падения атомов». Таким образом, в работе 1843 г. Джоуль приходит к тем же результатам, к которым ранее пришел Майер.

Во второй работе 1845 г. и в работе 1847 г Джоуль описывает многочисленные опыты с перемешиванием воды в калориметре. В 1850 г. он произвел новые классические опыты, из которых нашел значение механического эквивалента равным 424 кгс м/ккал.

Майер считал Джоуля одним из открывателей закона сохранения и превращения энергии. Джоуль умер в октябре 1889г.

  Гельмгольц. Герман Фердинанд родился в 1821 г в семье потсдамского учителя гимназии. Он получил медицинское образование, и его диссертация была посвящена строению нервной системы. В этой работе 22-летний врач впервые доказал существование целостных структурных элементов нервной ткани, получивших позднее название нейронов. В 1845 г эскадронный хирург гусарского полка переехал в Берлин для подготовки к госэкзаменам на звание врача и здесь усердно занимается в домашней физической лаборатории Густав Магнуса. Здесь же молодые ученые во главе Магнуса и Мюллера организовали физическое общество. В него вошел и Гельмгольц. Здесь же стал издаваться журнал «Успехи физики».

В июле 1847 г. Гельмгольц сделал доклад «О сохранении силы». Подобно Майеру, он от физиологии перешел к закону сохранения энергии. Гельмгольц неоднократно признавал приоритет Майера и Джоуля.

В своем сочинении Гельмгольц в отличие от Майера уделяет главное внимание физике и  лишь очень бегло и сжато говорит о биологических явлениях.. Именно это сочинение открыло дорогу Гельмгольцу к кафедре физиологии и общей патологии медицинского факультета Кенигсбергского университета, где он получил должность профессора. В 1855 г он переезжает в Бонн, затем – в Гейдельберг, где он много и упорно занимается физиологией зрения. Итогом этих исследований явилась знаменитая «Физиологическая оптика» Гельмгольца.

Здесь же Гельмгольц проводил классические исследования по скорости распространения нервного возбуждения, по акустике. Его первая книга «Учение о звуковых ощущениях как физиологическая основа акустики» вышла в 1863 г.

 Наконец, вышли его классические работы по гидродинамике и основаниям геометрии.

 С марта 1871 г. он становится профессором Берлинского университета, где создает физический институт, в который приезжали работать физики со всего мира. Принимает активное участие в организации Государственного физико-технического института – центра немецкой метрологии, первым президентом которого он становится. Умер Гельмгольц в 1894 г.

Разными путями шли открыватели закона сохранения и превращения энергии к его установлению. Майер сразу рассматривал его как глубокий всеобъемлющий закон и раскрывал цепь энергетических превращений от космоса до живого организма. Джоуль упорно и настойчиво измерял количественное соотношение теплоты и механической работы. Гельмгольц связал закон с исследованиями великих механиков 18 столетия.

 

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Ведущую роль в основании теории тепловых явлений сыграли Р.Клаузиус, В.Томпсон и др.

Рудольф Клаузиус родился в 1822 г в г.Кеслине.. После окончания Берлинского университета он был преподавателем в Артиллерийской школе. С 1855 г. он стал профессором Высшей политехнической школы в Цюрихе, а затем профессором в университете. С 1869 г он переехал в Бонн, где и умер в августе 1888 г.

Статьи Клаузиуса по механической теории теплоты были изданы в 1867г.

Вильям Томпсон родился в 1824 г. в Белфасте в семье преподавателя математики. Когда ему исполнилось 8 лет, семья переехала в Глазго, где Томпсон прожил и работал всю свою жизнь. В 10 лет он стал студентом Глазговского университета Вскоре юный студент опубликовал свою первую работу по теории теплопроводности. В 22 года Вильям становится профессором университета и занимает кафедру до 1899 г, в течение 53 лет..

«Студенты. – замечает В.Томпсон. – вначале приходили приятно провести время … и они не были разочарованы». Вскоре лаборатория стала пополняться приборами, выписанными из-за границы, но и сделанными университетской фирмой «Джеймс Уайт», все приборы, изобретенные самим Томпсоном, изготовлялись этой фирмой.

Кафедра и дом Томпсона первыми в Британии освещались электричеством. У них действовала первая в стране телефонная линия. Мастерские разрослись в фабрику в несколько этажей, которые стали филиалом кельвинской лаборатории.

Томпсон обладал большим педагогическим талантом.. Он прекрасно сочетал теоретическое и практическое обучение..Пять дней в неделю он читал по две лекции: одну – по физике, другую – по математической физике.

Лекции по физике сопровождались демонстрациями, к которым Томпсон привлекал студентов.

Томпсон был сторонником экспериментального обучения для всех студентов университета. Три четверти его студентов становились теологами. Имя его вошло в историю науки благодаря открытию им в 1875 г. электрооптического эффекта.

В 1892 г. Томпсону за большие научные заслуги был присвоен титул лордв Кельвина. Он написал огромное количество работ по экспериментальной и теоретической физике. В 1896 г. весь научный мир праздновал 50-летний юбилей Томпсона.

Томпсону наряду с Клаузусом принадлежит заслуга в обосновании второго закона термодинамики. Введение «шкалы Кельвина» представляет первый существенный вклад Томсона в термодинамику (1848). Томпсон умер в декабре 1907 г.

В работе “О проявляющейся в природе общей тенденции к рассеянию механической энергии» Томпсон формулирует знаменитую концепцию «тепловой смерти». Заметим, что в этой работе Томпсон заменил термин «движущая сила» современным термином «энергия».

В 1853 г. инженер и профессор технической механики Уильям Джон Макуорн Ранкин (1820-1872) в статье «Об общем законе превращения энергии» вводит термин «энергия» и формулирует закон сохранения энергии в следующем виде: «Сумма всей энергии (потенциальной и кинетической) во Вселенной остается неизменной». С этого времени термин «энергия» и закон сохранения энергии входят во всеобщее употребление.

Клаузиус формулирует второе начало термодинамики в виде положения: «Энтропия Вселенной стремится к максимуму». Таr через 20 лет после Томпсона Клаузиус также пришел к концепции «тепловой смерти»