Развитие взглядов на природу теплоты

Спокойный и достойный  тон его заявлений о приоритете маскирует ту глубокую душевную травму, которая была нанесена ему «мелкой завистью цеховых ученых» и «невежеством окружающей среды», по словам К. А. Тимирязева. Достаточно сказать, что в 1850 г. он пытался покончить жизнь самоубийством, выбросившись из окна, и остался на всю жизнь хромым. Его травили в газетах, обвиняли скромного и честного ученого в мании величия, подвергли принудительному «лечению» в психиатрической больнице. С негодованием писал К.А.Тимирязев о тех, кто преследовал Майера и искалечил его жизнь «за то только, что он был гениальным ученым в среде окружающей его жалкой посредственности».

Майер умер 20 марта 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. Широкое, философское понимание закона сохранения энергии Майером, обобщение им закона на явления жизни и космос смущали физиков и рассматривались ими как метафизические размышления. Но проводимые одновременно и независимо от Майера эксперименты Джоуля подвели под обобщения Майера прочную экспериментальную основу. Джеймс Прескотт Джоуль, манчестерский пивовар, владелец большого пивоваренного завода, родился 24 декабря 1818 г. Он рано увлекся электрическими исследованиями и конструированием электрических приборов, которые описывал систематически в небольшом специальном журнале. В октябре 1841 г. он опубликовал в «Philosophical Magazine» статью о тепловом эффекте электрического тока, в которой установил, что количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока.  
 
 
 
 

   3.Второе  начало термодинамики  и «теория» тепловой  смерти. 

       Энтропия (греч. en в, внутрь + trope поворот, превращение) - одна из величин, характеризующих тепловое состояние тела или системы тел; мера внутренней неупорядоченности системы; при всех процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия или возрастает (необратимые процессы), или остается постоянной (обратимые процессы).

Впервые понятие энтропии было введено немецким физиком Рудольфом Клаузиусом в середине прошлого века. Он и английский лорд Вильям Томсон (Кельвин) открыли второе начало термодинамики и сделали из него неожиданные выводы. Это начало устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, то есть однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов. Об этой асимметрии свидетельствует все окружающее нас: горячие тела с течением времени охлаждаются, однако холодные сами по себе отнюдь не становятся горячими; прыгающий мяч в конце концов останавливается, однако покоящийся мяч самопроизвольно не начнет подскакивать. Здесь проявляется то свойство природы, которое Кельвин и Клаузиус смогли отделить от свойства сохранения энергии. Оно состоит в том, что, хотя полное количество энергии должно сохраняться в любом процессе, распределение имеющейся энергии изменяется необратимым образом. Второе начало термодинамики указывает естественное направление, в котором происходит изменение распределения энергии, причем это направление совершенно не зависит от ее общего количества. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, рассеивается в мировом пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в Природе прекратятся, и наступит состояние, которое Клаузиус назвал "тепловой смертью" Вселенной.

     В ходе рассуждений о "тепловой смерти" Вселенной Клаузиус ввел некоторую  математическую величину, названную им энтропией. По сути дела энтропия служит мерой степени беспорядка, степени хаотичности состояния физической системы. Второе начало термодинамики гласит, что энтропия изолированной физической системы никогда не убывает, - в крайнем случае она может сохранять свое значение неизменным. Естественные процессы всегда направлены в сторону достижения системой равновесного состояния (механического, термического или любого другого). Это явление отражено вторым законом термодинамики, имеющим большое значение и для анализа работы теплоэнергетических машин. В соответствии с этим законом, например, теплота самопроизвольно может переходить только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для осуществления обратного процесса должна быть затрачена определенная работа. В связи с этим второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более теплым (постулат Клаузиуса, 1850 г.).

 Второй  закон термодинамики определяет  также условия, при которых  теплота может, как угодно долго  преобразовываться в работу. В  любом разомкнутом термодинамическом  процессе при увеличении объема  совершается положительная работа: где l - конечная работа, v1 и v2 - соответственно начальный и конечный удельный объем; 
но процесс расширения не может продолжаться бесконечно, следовательно, возможность преобразования теплоты в работу ограничена. 
Непрерывное преобразование теплоты в работу осуществляется только в круговом процессе или цикле.

   Каждый  элементарный процесс, входящий в цикл, осуществляется при подводе или  отводе теплоты dQ, сопровождается совершением или затратой работы, увеличением или уменьшением внутренней энергии, но всегда при выполнении условия dQ=dU+dL и dq=du+dl, которое показывает, что без подвода теплоты (dq=0) внешняя работа может совершаться только за счет внутренней энергии системы, и, подвод теплоты к термодинамической системе определяется термодинамическим процессом. Интегрирование по замкнутому контуру: Здесь QЦ и LЦ - соответственно теплота, превращенная в цикле в работу, и работа, совершенная рабочим телом, представляющая собой разность |L1| - |L2| положительных и отрицательных работ элементарных процессов цикла.

       Элементарное количество теплоты можно рассматривать как подводимое (dQ>0) и отводимое (dQ<0) от рабочего тела. Сумма подведенной теплоты в цикле |Q1|, а сумма отведенной теплоты |Q2|. Следовательно, LЦ=QЦ=|Q1| - |Q2|.

Подвод количества теплоты Q1 к рабочему телу возможен при наличии внешнего источника с температурой выше температуры рабочего тела. Такой источник теплоты называется горячим. Отвод количества теплоты Q2 от рабочего тела также возможен при наличии внешнего источника теплоты, но с температурой более низкой, чем температура рабочего тела. Такой источник теплоты называется холодным. Таким образом, для совершения цикла необходимо иметь два источника теплоты: один с высокой температурой, другой с низкой. При этом не все затраченное количество теплоты Q1 может быть превращено в работу, так как количество теплоты Q2 передается холодному источнику.

     Условия работы теплового двигателя сводятся к следующим:

     - необходимость двух источников  теплоты (горячего и холодного);

     - циклическая работа двигателя;

     - передача части количества теплоты, полученной от горячего источника, холодному без превращения ее в работу.

В связи с  этим второму закону термодинамики  можно дать еще несколько формулировок:

* передача  теплоты от холодного источника  к горячему невозможна без  затраты работы;

* невозможно  построить периодически действующую  машину, совершающую работу и  соответственно охлаждающую тепловой  резервуар;

* природа  стремится к переходу от менее  вероятных состояний к более  вероятным.

Следует подчеркнуть, что второй закон термодинамики (так же как и первый), сформулирован на основе опыта.

В наиболее общем  виде второй закон термодинамики  может быть сформулирован следующим  образом: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Все  прочие формулировки второго закона являются частными случаями наиболее общей формулировки.

В.Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1851 г. следующую  формулировку: невозможно при помощи неодушевленного материального  агента получить от какой-либо массы  вещества механическую работу посредством  охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов.

М.Планк предложил  формулировку более четкую, чем формулировка Томсона: невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к понятию  некоторого груза и охлаждению теплового источника. Под периодически действующей машиной следует понимать двигатель, непрерывно (в циклическом процессе) превращающий теплоту в работу. В самом деле, если бы удалось построить тепловой двигатель, который просто отбирал бы теплоту от некоторого источника и непрерывно (циклично) превращал его в работу, то это противоречило бы положению о том, что работа может производиться системой только тогда, когда в этой системе отсутствует равновесие (в частности, применительно к тепловому двигателю - когда в системе имеется разность температур горячего и холодного источников).

     Если  бы не существовало ограничений, накладываемых  вторым законом термодинамики, то это  означало бы, что можно построить  тепловой двигатель при наличии  одного лишь источника теплоты. Такой двигатель мог бы действовать за счет охлаждения, например, воды в океане. Этот процесс мог бы продолжаться до тех пор, пока вся внутренняя энергия океана не была бы превращена в работу. Тепловую машину, которая действовала бы таким образом, В.Ф. Оствальд удачно назвал вечным двигателем второго рода (в отличие от вечного двигателя первого рода, работающего вопреки закону сохранения энергии). В соответствии со сказанным формулировка второго закона термодинамики, данная Планком, может быть видоизменена следующим образом: осуществление вечного двигателя второго рода невозможно.

       Следует заметить, что существование  вечного двигателя второго рода  не противоречит первому закону  термодинамики; в самом деле, в  этом двигателе работа производилась  бы не из ничего, а за счет внутренней энергии, заключенной в тепловом источнике, так, что с количественно стороны процесс получения работы из теплоты в данном случае не был бы невыполнимым. Однако существование такого двигателя невозможно с точки зрения качественной стороны процесса перехода теплоты между телами. 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Наука  зародилась очень давно, на  Древнем Востоке, и затем   интенсивно

развивалась  в  Европе.  В  научных  традициях   долгое   время    оставался

недостаточно  изученным  вопрос  о

взаимоотношениях  целого и части.  Как стало  ясно  в середине

20 века часть может  преобразовать целое радикальным  и неожиданным образом.

Из   классической   термодинамики   известно,   что   изолированные

термодинамические системы  в соответствии  со  вторым  началом  термодинамики

для необратимых процессов  энтропия системы  S  возрастает до тех  пор,  пока

не достигнет своего максимального значения  в  состоянии  термодинамического

равновесия.  Возрастание  энтропии  сопровождается  потерей   информации  о

системе.

Со временем открытия второго  закона  термодинамики  встал  вопрос  о

том, как можно согласовать  возрастание  со  временем  энтропии  в  замкнутых

системах с процессами самоорганизации в живой и  не  живой  природе.  Долгое

время казалось, что  существует противоречие  между  выводом  второго  закона

термодинамики и выводами эволюционной теории  Дарвина,  согласно  которой  в

живой  природе  благодаря  принципу  отбора  непрерывно  происходит  процесс

самоорганизации.

Противоречие  между  вторым началом   термодинамики   и   примерами

высокоорганизованного окружающего  нас  мира  было  разрешено  с  появлением

более пятидесяти лет  назад и последующим естественным  развитием  нелинейной

неравновесной  термодинамики.  Ее  еще  называют   термодинамикой   открытых

систем. 
 
 
 

     Список  литературы 

   1. Эткинс  П.В. Порядок и беспорядок в природе: Пер. с англ./Предисл. Ю.Г. Рудого.- М.:  Мир, 1987.

    2.Тарасенко Н.Д. Уваров А.И. Концепция современного естествознания(учебное пособие) М.: Недра, 1998.

    3. С.И. Самыгина Концепция современного естествознания (учебник )

                                                                             4-е. издание н.д. «Феникс»,

   2003.

    4. Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы (справочник).- М.: Энергия, 2000. 

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

План: 

     1.Введение 
 

  2.  Развитие взглядов на природу теплоты

3. Первое начало термодинамики. Закон сохранения и

      превращения энергии.  

     4.  Второе начало термодинамики и «теория» тепловой                             

         смерти.

     5.  Заключение. 

     6. Список  литературы.