Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 118
Текст из файла (страница 118)
Вторым, не менее важным шагом, способствовавшим этому превращению, было применение основных понятий и методов механической теории теплоты к такому кругу явлений, как электрические и магнитные. Обширность этого применения и полученные результаты убедительно говорили об общности термодинамических законов и их большой эвристической ценности. Вот те направления, по которым дошло применение термодинамнческих методов к магнитным и электрическим явлениям; процессы намагничения, явления термоэлектричества и аналогичные ему явления, свойства диэлектриков, в частности явление электрострикции.
Рассмотрим кратко некоторые результаты, полученные во второй половине Х1Х в. в этих направлениях. Первые попытки разобраться в сущности явления термоэлектричества и развить его теорию были предприняты в середине 50-х годов, вскоре после открытия второго начала термодинамики. Длительный разрыв во времени между открытием термоэлектричества (20-е годы Х1Х в.) и началом его изучения не случаен.
А. Ф. Иоффе так объясняет этот факт: «Термоэлектрические явления не привлекали к себе внимания физиков. Их затмевала мощная волна электромагнетизме, приведшая Фарадея к открытию электромагнитной индукции. Физика шла к обобщающим законам максвелловской теории; техника — к электрическим машинам.
Прошло тридцать лет с момента открытия Зеебека, пока с появлением термодинамики не вознигк интерес ко всем видам превращения энергии, в том числе и к превращениям тепловой и электрической энергии в эффектах Зеебека к Пельтьеэ 'з. В разработке термодинамической теории термоэлектричества участвовали Р. Клаузиус, В. Томсон, П. Дюгем, Л. Больцман, М. Планк, Г. Лоренц, П. Авенариус и другие физики.
Общий подход заключался в применении к этим явлениям термодинамических начал и основных понятий термодинамики. Еще в 1851 г. В. Томсон в работе «Механическая теория термоэлектричества» отмечал, что «механическая теория теплоты позво- м И о ф ф е А. Ф. Полупроводниковые термовлементы. М., 19об. 431 лает объяснить сущность открытий Зеебека и Пельтьеэ. Он приходит к закмючению: «Возникающая в цепи из р знороднмх металлов э.д. с, при наличии разности, температур, а также тепловьсе эффдктм в проводниках при прохождении по ним тока являются следствием общих принципов динамической теории теплоты». В.
Томсон отмечает принципиальное различие между теплотой Джоуля и эффектом Пельтье — первая не зависит от направления тока в проводнике, в то время как знак эффекта Пельтье изменяется при изменении направления тока на противоположное.
Это обстоятельство позволяет В. Томсону заключить, что эффект Пельтье является обратимым процессом. В 1854 г. В. Томсон опубликовал шестую часть своей «Динамической теории теплоты», целиком посвященную теории термоэлектричества, Эта часть так и называется «Термоэлектрические токи» В этой работе он устанавливает важные феноменологические соотношения между величинами, характеризующими тепловые эффекты, возникающие в проводнике при прохождении по нему электрического тока.
В частности, В. Томсон нашел, что между коэффициентом Пельтье П, абсолютной температурой Т и термо-э. д, с, Е должно существовать соотношение: П=ТЕ. Количество выделенного тепла пропорционально силе тока 1, причем коэффициентом пропорциональности является коэффициент Пельтье: Я=П1. дП Далее Томсон показал, что разность — — Е, вообще говоря, может дТ быть отлична от нуля. Это означает, что в дополнение к теплоте Джоуля и теплоте Пельтье можно ожидать еще одного теплового эффекта, если вдоль проводника, по которому протекает ток, существует перепад температур.
В этом случае, говорит Томсон, в дополнение к теплоте Джоуля в объеме проводника выделяется или поглощается в зависимости от направления тока некоторое количество теплоты. Предсказанный. Томсоном эффект получил в дальнейшем наименование эффекта Томсона. Исходя из термодинамических соображений, он нашел, что количество теплоты, выделенное в этом эффекте, будет пропорционально температурному перепаду и силе тока, т.
е. Я =о(Т, — Т,'11с, где коэффициент пропорциональности о в дальнейшем получил наименование коэффициента Томсона. Согласно общей теории, развитой Томсоном, абсолютная термоэ, д. с. Е связана с коэффициентами оз и оз проводников, образующих термопару, соотношением дЕ о,— оз дТ Т 432 Эффект Томсона был экспериментально обнаружен французским физиком Ф.
Леру в 1867 г. Найденные Томсоном количественные соотношения между коэффициентами, характеризующими различные термоэлектрические явления, были вскоре подтверждены экспериментально рядом исследователей (Ж. Беккерелем, Леру, Бателли, Лехером и др.) В рассматриваемой работе Томсон впервые предложил сопоставить работу термопары с работой идеальной тепловой машины, в которой горячий спай играл роль нагревателя, а холодный— холодильника. Такой термодинамический подход к явлениям термоэлектричества лишний раз показывал плодотворность этого метода.
В частности, он открывал возможность оценки коэффициента полезного действия термопары. Естественно, что феноменологическая теория не давала ответа на многие вопросы, возникавшие в процессе исследования термоэлектрических явлений. В частности, оставался невыясненным механизм возникновения абсолютной термо-э. д. с. (т.
е. коэффициент термо-э. д. с. термопары). Это стало возможным только после развития электронной теории Друде — Лоренца. В, Томсону принадлежит также попытка применения термодинамики к анализу тепловых явлений, связанных с магнетизмом. Эти вопросы он рассмотрел в опубликованной в 1878 г.
работе «О термоупругих, термомагнитных и пироэлектрнческих свойствах материи». Много исследований по термоэлектричеству выполнил Клаузиус, посвятивший этому вопросу ряд мест во втором томе своей «Механической теории тепла». Клаузиус, так же как и В. Томсон, разрабатывая механическую теорию теплоты, отнюдь не ограничивался развитием одних основ этой теории.
Он сочетал анализ общетеоретических вопросов, относящихся к физическому обоснованию второго начала термодинамики, с его применением к решению различных частных задач. Не прошел Клаузиус и мимо термоэлектрических явлений, приступив к их термодинамическому анализу спустя два года после Томсона. Клаузиус прежде всего попытался разобраться в механизме самого явления, понять причины возникновения термо-э. д, с.
Его точка зрения сводилась к тому, что тепловое движение частиц проводника приводит к появлению разности потенцналов, возникающей вследствие разъединения разноименных электрических зарядов. Образовавшийся при этом двойной слой уравновешивает действие теплового движения. При достаточно малой электродвижущей силе можно пренебречь выделением джоулевой теплоты в проводник и считать процесс обратимым. К такому процессу применимо второе начало термодинамики.
Именно в таком плане Клаузиус и рассмотрел впервые в 1853 г. явление термоэлектричества в работе «О применении механической теории теплоты к термоэлектрическим явлениям». В своих работах по термоэлектричеству Клаузиус допустил 28 я. м. гель»«» 433 чг некоторые ошибки, несмотря на в общем-то верный подход.
На некоторые из них обратил внимание М. Авенариус, также занимающийся теорией термоэлектрических явлений 4'. В 80 — 90-х годах Х!Х в. опытным путем было показано, что процессы намагничения также связаны с тепловыми эффектами. Гак, например, открытие в 1880 — 1882 гг. магнитного гистерезиса, сделанное независимо друг от друга Э. Варбургом и Д. Эвингом, показало, что с намагничением твердых магнетиков связано превращение части работы намагничения в теплоту. В 1895 г. П. Кюри экспериментально исследовал зависимость магнитной восприимчивости от температуры для различных магнетиков и нашел, что у диамагнетиков магнитная восприимчивость у почти не зависит от температуры, в то время как у парамагнетиков она обратно пропорциональна абсолютной температуре, т.
е. Х=С~Т, где С вЂ” постоянная, названная константой Кюри. Исследуя ферромагнетики, Кюри обнаружил, что при некоторой характерной температуре,6 ферромагиетик превращается в паромагнетик. Как было показано позже, этот переход представляет собой один из случаев фазовых превращений второго рода и обусловлен скачкообразным изменением свойств симметрии вещества, Как в работах В.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
