Авиационная и ракетно-космическая теплотехника. Введение в специальность Бурдаков В.П., страница 5

В 1676 г. датчанин Ремер по моментам прохождения спутников Юпитера за его диском открыл конечность скорости света и подсчитал ее величину, ошибся всего на 25»~«. В 1687 г. англичанин И.Ньютон в «Математических началах натуральной философии» выдвинул теорию движения тел во времени и пространстве, постулировал закон всемирного (а не только планет к Солнцу) тяготения, разработал математические методы расчета движения тел, впервые предсказал математическую возможность «запуска» с высокой горы искусственного спутника Земли. Он же высказал идею о бесконечности и статичности Вселенной, оттеснив Бога за пределы Вселенной, хотя сам был известным богословом. Фактически И.

Ньютон отделил Бога от науки. Характерна, что иудейские, христианские и мусульманские мифы, сформировавшиеся затем в религии, повествовали о Начале, о сотворении Мира, о Боге, как его первопричине. Блаженный Августин ( у католиков— святой Августин) в книге «Град Божий» назвал даже дату сотворения Мира (Вселенной) — 5000 лет до н.э. В настоящее время конец последнего ледникового периода и рождение цивилизации датируется 10000 годом до н.э. Заметим, что Аристотелю и его современникам-ученым идея о сотворении Мира не нравилась, так как предполагала божественное вмешательство, не объяснимое с научных позиций.

Они считали поэтому, что люди и окружающий мир суще- 22 ствуют вечно, периодически возвращаясь (за счет потопов и других катаклизмов) к исходному состоянию цивилизации. В 1781 г. немец И. Кант в книге «Критика чистого разума» рассмотрел вопрос о начале Вселенной и ее границах в пространстве и пришел к выводу о невозможности доказательства ни начала, ни границ, ни бесконечности Вселенной во времени. В 1823 г.

немец Генрих Олберс описал парадокс светимости, свидетельствующий о конечности Вселенной в пространстве, либо о ее молодости (либо вещество Вселенной еще не нагрелось, либо свет далеких звезд до нас еще не дошел, так как в противном случае все небо бесконечной Вселенной стало бы ярко светиться подобно Солнцу). Появившаяся в 1824 г. новая научная дисциплина — термодинамика — позволила Р.Клаузису в 1855 г.

на основе закона возрастания энтропии в замкнутых системах объявить о неминуемом конце Мира — тепловой смерти Вселенной, если она ограничена в пространстве, то есть замкнута. Возник термодинамический нарадокс, поскольку Вселенная наших дней от тепловой смерти далека, следовательно, она имела Начало, то есть не может быть вечной. В 1865 г. англичанин Д, Максвелл объединил теории электрических и магнитных сил, описав возникновение электромагнитных колебаний в мировом «эфире». В 1887 г. американцы А.

Майкельсон и Э. Морли обнаружили с помощью интерферометра постоянство скорости света относительно наблюдателя, то есть отсутствие неподвижного «эфиоп». В 1900 г. немец М. Планк высказал идею о квантах электромагнитного излучения и, воспользовавшись вторым законом термодинамики, вывел закон излучения нагретых тел. В 1905 г. датчанин Лоренц объяснил результат эксперимента Майкельсона-Морли сокращением размеров всех предметов, движущихся в «эфире» и, соответственно, замедлением хода движущихся с этим предметом часов В этом же году А.Эйнштейн в «Специальной теории относительности» предложил отказаться от «эфира» и от «абсолютного времени» Независимо от него через несколько дней то же самое предложил француз Пуанкаре. Теория относительности — это заслуга Лоренца, Эйнштейна и Пуанкаре Скорость света стала абсолютной мировой константой, не зависящей от скорости движения наблюдателей.

Появилось новое опре- 23 деление единицы длины — метра. Это расстояние, которое свет в вакууме проходит за О,ООО ООО 003 335 640 952 с. В 1915 г, А. Эйнштейн публикует ОТΠ— «Общую теорию атносительности (теорию гравитации)ь или теооию искривления пространства. В 1922 г. советский ученый А.А. Фридман показал на основе ОТО, что Вселенная не должна быть статичной. В 1924 г. американец Э. Хаббл показал, что наша Галактика— не единственная а Мире и что Вселенная состоит из множества Галактик.

В 1926 г. немец В. Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности микромира, ие позволяющий пока ученым заглянуть в Начало Вселенной. В 1929 г. Э, Хаббл обнаружил разбегание Галактик, регистрируемое по допплеровскому эффекту красного смещения (увеличения всех длин волн) их спектров. Сейчас установлено, что объем Вселенной за миллиард лет увеличивается на 5-10~,. В 1965 г, американцы В.Дикке и Д.

Пиблс высказали мысль о том, что в настоящее время можно наблюдать свечение ранней Вселенной, если она согласно предположению Джорджа Гамова (ученика А.А. Фридмана) была горячей, плотной и добела раскаленной. В этом же году два других американца Арно Пензиас и Роберт Вильсон обнаружили это самое излучение за что и получили в 1973 г. Нобелевскую премию. В 1970 г. англичане Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг на основе ОТО и новейших экспериментальных данных доказали, что у Вселенной было Начало во времени (до этого наряду с гипотезой о Начале существовали и другие — о пульсациях Вселенной при ее вечности и т.д.). Возраст нашей Вселенной определяется сейчас в 20 млрд.

лет, а ее радиус — в 20 млрд. световых лет, правда с оговоркой, что скорость света за это,время не изменялась. Граница Вселенной недоступна для наблюдения не только оптическим телескопам (радиус действия 5 млрд. световых лет), но и радиотелескопам (10 млрд. световых лет). Возраст нашей Галактики оценивается в 16, а Солнца в 5 млрд.

лет, Общая продолжительность существования Солнца составит 10 млрд.лет, после чего оно сильно увеличится в размерах, поглотит все планеты, а затем потухнет, превратившись в Белого карлика. 24 Земля возникла около 4,5 млрд, лет назад из газово-пылевои туманности, Колебания светимости Солнца считаются одной из основяых причин изменения земного климата, который за последние 500 млн. лет претерпел ряд кардинальных изменений (рис. 5). Ледниковые периоды со среднегодовой температурой 10' С сменялись тропической жарой даже на полюсах — среднегодовая температура в целом по планете составила около 25' С.

Стрелки на рис 5. показывают вероятные возмущения климата, природа и продолжительность которых пока не вполне ясна, хотя гипотез на этот счет предложено ми о го. ю гас 3 Пунктирная кривая (рис. 5) показывает несостоявшееся. по-видимому, из-з» этих возмущений, обледенение. Около 25-30 млн. лет назад — и опять при наличии возмущения — появились приматы (обезьяны), а около 3-4 млн.

лет назад— первобытные люди, во многом похожие палас, Появление людей (в отличие от обезьян) пришлось на ледниковый период, а может быть было обусловлено наступлением холодов, поскольку древнейшим каменным орудиям и следам кострищ около 2,5 млн.лет.

1,4. Классическая термодинамика С. Карно и неравновесная термодинамика Рождение энергетики произошло тогда, когда люди стали использовать огонь, то есть 2500000 лет назад. Домашний (пещерный) 25 огонь давал людям свет, тепло, был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей, бытовым средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством, предметом поклонения и обожествления. Прекрасный мнф о Прометее, даровашим людям огонь, появился в древней Греции значительно позже того, как во многих частях света были освоены методы довольно изощренного обращения с огнем, его получением и тушением, сохранением огня и рациональным нспольЗование топлива.

И сейчас, в век атомных электростанций, ветре- и гидроэнергетики солнечных батарей, производство энергии, транспортные, экологические н технологические процессы на 99% связаны спримененнем огня, а на 99,9у0 — с применением тепла. Отсюда понятно и значение термодинамики — науки о преобразованиях энергии во всех природных и антропогенных процессах. На рис.

6 приведена схема общего построения термодинамики Для примера изображена графическая зависимость термодинамического потока Х~ „например, электронов в полупроводнике, я сопряженного с ним потока дырок У~, от термодинамической силы Х~, например, градиента напряженности электрического поля.

В реальных случаях приходится оперировать несколькимн потоками 1 и несколькими силами Х, различной размерности (и физической и тензорной), поэтому на одном графике изобразить нх нельзя. Требуется серия изображений. Точка 0 в центре графика, соответствующая случаю Х1 = 0 и Х~ = О, то есть отсутствию и потоков, и термодинамических снл, характеризует классическую термодинамику С. Карно.

Область, ограниченная прямой Х1 О, соответствует равновесному состоянию, когда одни термодинамяческие силы скомпенсированы другими. В литературе иногда можно встретить термин «термостатика». Этим термином предлагается называть раздел термодинамики, изучающий равновесные состояния. Область линейной зависимости Х~ и .Г~ от Х1, находящаяся внутри пунктирного круга, соответствует неравновесной термодинамике, изучающей процессы переноса прн малом неравновесии (МН). Область, ограниченная прямой Х1 = О, характеризует наличие инерционных потоков при отсутствии вынуждающих сил.

Наконец, область нелинейной неравновесной термодинамики (большое неравновесие ЕН) распространяется от МН во все стороны практически неограниченно. Именно эта, 2а пока в достаточной мере не разработанная область термодинамики, соответствует реальной окружающей нас природе — как живой. так и неживой. По-видимому, в дальнейшем эта довольно обширная область также будет разбита на характерные участки со своими термодинамическими особенностями. .7 -77 -х х,.а Фг Рис 6 На рис. 6 нельзя строго указать область технической термодинамики.