8142

10

этом он ввел такие фундаментальные понятия термодинамики, как равновесный процесс, круговой процесс, идеальная машина.

Доказанная С. Карно теорема о зависимости величины термо-

динамического К.П.Д. идеальной тепловой машины только от температур

«горячего» и «холодного» тепловых источников послужила основой для определения понятий термодинамической температуры и энтропии.

Следует также отметить, что в записках С. Карно, опубликованных лишь через 40 лет после его преждевременной смерти, содержится первая формулировка принципа эквивалентности теплоты и работы, лежащего в основе первого закона термодинамики.

Впервые принцип эквивалентности и, следовательно, взаимопревращения теплоты и работы опубликовал в 1842 г. немецкий ученый Ю. Майер (18141878 гг.), как результат своих теоретических исследований. Затем (1845 г.) этот принцип он сформулировал в виде закона сохранения энергии (первого закона термодинамики), который признан теперь как фундаментальный физический закон.

Английский ученый Д. Джоуль (1818-1889 гг.) независимо от теоретических исследований Ю. Майера экспериментально, путем многочисленных опытов (1843-1848 гг.) подтвердил справедливость первого закона термодинамики.

Несколько позднее (1847 г.) первый закон термодинамики был также сформулирован немецким ученым Г. Гельмгольцем (1821-1894 гг.).

Выдающийся немецкий ученый Р. Клаузиус (1822-1888 гг.) на основе принципа эквивалентности теплоты и работы ввел понятие внутренней энергии рабочего тела и получил уравнение первого закона термодинамики (1850 г.),

связывающего теплоту и работу с внутренней энергией.

Р. Клаузиус сформулировал также второй закон термодинамики (1850 г.)

в виде постулата о невозможности самопроизвольного перехода теплоты от менее нагретого к более нагретому телу. При этом он ввел новую величину,

названную им «эквивалентом превращения», а позднее (1865 г.) «энтропией».

11

Понятие энтропии занимает ключевое место в термодинамике и используется в других науках, например, в теории информации.

Независимо от Р. Клаузиуса и почти одновременно с ним (1851 г.) анг-

лийский ученый В. Томсон (лорд Кельвин) (1824-1907 гг.) сформулировал по-

стулат о невозможности получить при помощи неодушевленного материального двигателя от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее ниже самого холодного из окружающих предметов. Этот постулат также считается классической формулировкой второго закона термодинамики.

Большой заслугой В. Томсона является также определение им (1848 г.) на основе выводов С. Карно возможности существования универсальной или абсолютной температурной шкалы, не зависящей от свойств термодинамического вещества, названной впоследствии в его честь шкалой Кельвина.

В 1874 г. выдающихся русский ученый Д. И. Менделеев (1834-1907 гг.)

предложил новое уравнение состояния идеальных газов, объединяющее закон Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Авогадро. В отличие от уравнения Клапейрона, в котором количество вещества определяется массой и используется индивидуальная газовая постоянная, определяемая отдельно для каждого газа, уравнение Менделеева получено для моля вещества с использованием универсальной газовой постоянной, одинаковой по величине для всех газов. По существу Менделеев получил общее уравнение состояния, из которого формула Клапейрона вытекает как частный случай.

Примерно в это же время исследования в области реальных газов проводил голландский физик Ван-дер-Ваальс (1837-1923 гг.), впервые получивший уравнение состояния реального газа (1873 г.), учитывающее объем и силы взаимодействия молекул. Уравнение Ван-дер-Ваальса до сих пор используют для качественной оценки состояния реального газа и демонстрации неразрывности жидкого и газообразного состояния вещества.

К концу XIX в. закончилось, в основном, формирование классической

12

термодинамики, базирующейся на понятии кругового процесса или цикла,

разработанного С. Карно.

Введенное Р. Клаузиусом понятие энтропии позволило вывести из ос-

новных законов термодинамики соотношения для определения свойств веществ в различных агрегатных состояниях. Эти исследования привели к возникновению в конце XIX в. новой науки – физической химии,

основоположником которой является американский ученый Д. Гиббс (18391903 гг.), открывший правило фаз и создавший учение о термодинамических потенциалах (1876 г.).

Вначале и середине XX в. продолжалось развитие как теоретических, так

иприкладных сторон термодинамики.

Начало XX в. прошло под знаком новой «тепловой теоремы», которую установил в 1906 г. немецкий ученый В. Нернст (1864-1941 гг.), удостоенный за эту работу Нобелевской премии. Теорема Нернста содержит утверждение о постоянстве энтропии вблизи абсолютного нуля температуры и позволяет определить произвольные константы энтропии.

Развивая работы В. Нернста, немецкий физик М. Планк (1859-1947 гг.),

предложил в 1911 г. считать энтропию равной нулю вблизи абсолютного нуля температуры. Важность для науки теоремы Нернста позволяет считать ее третьим законом термодинамики.

В конце XIX в., начале XX в. в термодинамике начали развиваться принципиально новые подходы к обоснованию основных понятий, что связано,

в основном, с недостаточной ясностью определения теплоты, объясняемой с позиций «механической теории теплоты» при помощи гипотезы о молекулярном строении материи.

Новое обоснование термодинамики на основе макроскопически изме-

ряемых величин, с отказом от механической теории теплоты дали в 1888 г.

М. Планк и французский ученый Ж. Пуанкаре (1854-1912 гг.). Свое учение они построили с использованием только первого и второго законов термодинамики,

что сделало позиции термодинамики более прочными, независящими от знаний

13

о структуре строения вещества.

Аксиоматическое изложение термодинамики на основе логического анализа основных понятий и второго закона термодинамики, предложил в своих многочисленных работах, начиная с 1887 г. русский ученый Н. Н.

Шиллер (1848-1910 гг.).

Затем (1909 г.) аналогичную работу выполнил немецкий математик К. Каратеодори (1873-1950 гг.), который показал, что «можно построить всю теорию без привлечения понятия теплоты – физической величины,

отличающейся от обычных механических величин». В своих исследованиях он использовал для ограничения системы адиабатную оболочку, широко применяемую с тех пор в термодинамике.

Идеи Н. Н. Шиллера и В. Каратеодори были развиты в работах русского ученого Т. А. Афанасьевой-Эренфест (1876-1959 гг.), большая часть деятельности которой протекала за границей. Она впервые показала целесообразность раздельного применения второго закона термодинамики для равновесных и неравновесных процессов.

На основе результатов исследований свойств реальных рабочих тел немецкий ученый Р. Молье (1863-1935 гг.) предложил (1904 г.) h, s – диаграмму водяного пара, а русский ученый Л. К. Рамзин (1887-1948 гг.) Н, d – диаграмму влажного воздуха (1918 г.). Обе диаграммы в настоящее время широко используются для расчета термодинамических процессов, протекающих соответственно в парах и влажном воздухе.

Позднее профессор Московского энергетического института М. П.

Вукалович (1899-1970 гг.) создал научную теплофизическую школу, в которой выполнены фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования свойств реальных веществ. В частности, получено уравнение состояния реального газа (1939 г.), определены термодинамические параметры воды и водяного пара для высоких давлений и температур. Результаты этих исследований позволили создать надежную базу для дальнейшего развития теплоэнергетики.

14

Большой вклад в теоретическое исследование реальных газов внесли американский физик Д. Майер (1904-1973 гг.) и русский математик Н. Н.

Боголюбов (1909-1992 гг.), получившие независимо друг от друга уравнение состояния реального газа с помощью методов статистической физики (19371946 гг.).

15

Характерными особенностями термодинамики середины и конца ХХ в.

являются детальные исследования свойств твердых, жидких и газообразных тел,

фазовых равновесий и переходов, необратимых процессов, химических реакций.

История формирования и развития термодинамики является наглядной иллюстрацией диалектического закона «отрицания отрицания».

Первоначально термодинамика сложилась в процессе исследования относительно узкого круга вопросов, связанных с работой тепловых машин.

Однако полученные при этом результаты имели общенаучное значение, что позволило создать общую или физическую термодинамику, изучающую явления безотносительно к какому-либо конкретному приложению.

Развитие и углубление общей термодинамики привело к разделению ее на ряд специализированных наук, т.е. возвращению к первоначальному состоянию, но на более высоком уровне.

Таким образом возникли техническая термодинамика, изучающая процессы энергообмена в тепловой и механической формах; химическая термодинамика, исследующая процессы энергообмена, сопровождающие химические реакции; биологическая термодинамика, изучающая процессы энергообмена в живых организмах.

Следует отметить, что основоположником биологической термодинамики является Ю. Майер, впервые определивший величину механического эквивалента теплоты путем исследования энергетических процессов,

происходящих в человеческом организме.

Основными задачами современной термодинамики являются: изучение экологически чистых и энергосберегающих технологий (в том числе,

безмашинных) получения электроэнергии, теплоты, холода; исследование свойств веществ в области низких (криогенных) температур, при которых наблюдается сверхпроводимость материалов; изучение процессов использования возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой,

геотермальной, приливно-отливной и пр.); дальнейшее развитие эксергетического способа оценки энергетической эффективности различных

16

процессов и устройств.

17

1.3 Особенности научной методики

Основные законы (начала) и постулаты термодинамики получены путем обобщения опытных, экспериментальных результатов. Поэтому и тер-

модинамика в целом является опытной или феноменологической (феномен – факт, явление) наукой. Эта особенность определяет одновременно и сильную, и

слабую сторону термодинамики.

Действительно, поскольку критерием любой истины является опыт,

эксперимент, справедливость термодинамических законов неопровержима, что является сильной стороной этой науки.

Однако результаты человеческого опыта действительны только в границах временного и пространственного полей существования человечества и функционирования созданной им исследовательской аппаратуры. Использование известных опытных данных за пределами этих полей некорректно.

Следовательно, справедливость термодинамических законов действительна только в этих пределах. Нельзя отрицать возможность существования в еще неисследованных человеком областях Вселенной явлений, не соответствующих основным законам термодинамики, что определяет некоторую ограниченность этой науки.

Другой особенностью термодинамики является то, что она устанавливает связи только между макроскопическими характеристиками, не вникая в структуру строения вещества. Это обстоятельство определяет универсальность термодинамических законов, их применимость к любым веществам,

независимо от внутреннего строения последних.

Однако эта особенность термодинамического метода делает его не-

сколько односторонним при изучении определенных явлений и процессов,

оставляя нераскрытой их физическую сущность.

Вместе с тем сочетание макроскопического метода исследования с методами молекулярной и статистической физики обогащает физическое содержание термодинамики. Наглядным подтверждением этого является

18

объяснение теплоемкости газа на основе молекулярно-кинетической теории,

вывод уравнений состояния Вукаловича-Новикова и Майера-Боголюбова с использованием статистической физики и др. примеры.

Такой синтетический метод исследований особенно характерен для технической термодинамики, важной частью которой является изучение свойств рабочих тел.

Термодинамические исследования заключаются в использовании общих законов термодинамики с применением соответствующего математического аппарата для решения частных задач этой науки. Такой вид исследования (от общего к частному) называют дедуктивным.

Применение основных законов термодинамики для решения физических задач возможно двумя способами. В соответствии с этим существуют два метода термодинамических исследований: метод круговых процессов (метод циклов) и метод термодинамических потенциалов (метод характеристических функций).

По методу циклов для анализа какого-либо явления подбирают под-

ходящий обратимый цикл (чаще всего цикл Карно), который исследуют с помощью уравнений первого и второго законов термодинамики.

Метод циклов исторически является первым. Его использовали в своих исследованиях основоположники термодинамики Карно, Клаузиус, Нернст. В

настоящее время этот метод является основным в технической термодинамике.

Метод круговых процессов в принципе может быть использован для решения любой термодинамической задачи. Недостатком этого метода является неопределенность выбора необходимого цикла, определяющего успех исследования.

Метод термодинамических потенциалов, впервые предложенный Гиббсом,

в качестве основного использует совмещенное уравнение первого и второго законов, называемое основным уравнением термодинамики. Это уравнение позволяет ввести некоторые функции состояния системы для различных условий, называемые термодинамическими потенциалами. Изменения этих

19

функций в процессе изменения состояния системы являются полными

дифференциалами.