Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 49
Текст из файла (страница 49)
Ибо система, которая совершает круговой процесс, к концу его оказывается в толь же состоянии, что и в начале, так что при сравнении обоих состояний с нею совершенно не кадо считаться. Что касается математической формулировки второго начала, то отличие между конечным и начальным состояниями процесса должно сводиться к неравенству, которое выражает, что некоторая величина в каждый момент зависит от состояния рассматриваемой системы тел, обладает более высоким значением при конечном состоянии, чем при начальном.
Таким образом, второе начало термодинамики говорит, что в природе для каждой системы тел существует величина, обладающая следующим свойством: при всех изменениях, которые затрагивают только эту систему, она или остается постоянной (обратимые процессы), или увеличивается (необратимые процессы). Величина зта, по Клаузиусу, называется энтропией системы» [47, с. 95 — 961, Относительно формулировки второго начала — «энтропия Вселенной стремится к максимуму» — Плаик замечает: «Не имеет смысла без дальнейших пояснений говорить об энергии или энтропии мира, ибо такие величины вообще не поддаются точному определению» [47, с.
1131. О возможных границах применения второго начала он замечает: «Границы применимости второго начала, если таковые вообще существуют, могут лежать только в той области, к которой относится его содержание; иначе говоря, они зависят от объекта наблюдения — природы, но не от наблюдателя — человека» [47, с.
1!6]. 183 В развитие общих теоретических идей, связанных с введением в термодинамику энтропии, Клаузиус публикует в 1866 г. работу «Об определении энергии и энтропии тел» 169, с. 45~, в которой излагает разработанный им метод нахождения дифференциальных соотношений термодинамики, основанный на совместном применении первого и второго начал. В этой работе математическое выражение двух законов термодинамики получает ту завершенную форму, которой пользуются н в наши дни. Именно первое начало термодинамики записано в форме К=би+616, а второе — в форме бЯ=ТЖ. По поводу этих уравнений Клаузиус замечает здесь: «Первое из этих двух уравнений может быть применимо как к обратимым, тзк и к необратимым изменениям, в то время как второе справедливо только для обратимых процессов». И далее: «Для того чтобы оба эти уравнения можно было применять, необходимо предположение о том, что рассматривается только обратимое изменение.
В этом случае элемент количества теплоты ЙО у них общий и оба уравнения можно записать в виде Тж= би+ тз. Особенностям интеграла, определяющего энтропию 1 Т вЂ” ЧЯ, Клаузиус посвятил специальное исследование, опубликованное в том же 1866 г." Итак, к середине 60-х годов Х1Х в. разработка основ классической термодинамики была завершена. Были сформулированы два начала, обобщившие итог длительного развития учения о теплоте как в части теоретической, так и экспериментальной. Был разработан метод круговых процессов — циклов, позволивший решить ряд практических задач физики тепла.
Были намечены некоторые направления дальнейшего исследования основ термодинамики и ее применения к конкретным системам. Важная особенность рассмотренного периода развития термодинамики состоит в том, что вся теория носила чисто феноменологический характер. Уже это одно обстоятельство говорило о том, что термодинамнческий метод со временем может стать важным методом исследования свойств систем, поскольку для своего применения он не требовал предварительного знания особенностей внутреннего строения тела.
Учитывая практически полное отсутствие в этот период каких-либо конкретных сведений о молекулярном движении и его свойствах, физики — современники Клаузиуса э' Сыл Г1Ьет дзз 1п1еитз! 1 Т-160. Ее!1зеьт1!! Мз1Ь. и. РЬуз., !866, ч. П. $. 466. 184 высоко оценили это достоинство нового метода исследования, хотя, как мы увидим дальше, второе начало термодинамики далеко не сразу было признано как фундаментальный закон природы. Вторая особенность рассмотренного периода — в том, что границы применимости второго начала не были выяснены.
Как следует из рассмотренных работ основоположников термодинамики, никто из них, по существу, не ставил подобного вопроса. Томсон вообще ничего не говорит по этому поводу, а Клаузиус отмечает, что второе начало в той математической форме, которую он ему придал, может быть использовано для конкретных расчетов лишь в том случае, если рассматриваются обратимые процессы. В случае необратимых процессов второе начало только указывает на направление процесса.
Как Томсон, так и Клаузиус считают, что второе начало применимо для любых систем, в том числе и для Вселенной в целом. Отсюда вывод Томсона о стремлении энергии Вселенной к рассеиванию и превращению ее в теплоту и вывод Клаузиуса о стремлении энтропии Вселенной к максимуму. В своей совокупности оба вывода получили название г и и о т е з ы Т о мс о н а — К л а у з и у с а о «тепловой смерти Вселенной». Исследования В. Ранкина Выше неоднократно упоминалось имя Вильяма Макуорна Ранкина, талантливого шотландского физика и инженера'а. Заслуги его в начальный период развития термодинамики, приведшие к установлению второго начала, отмечались как Клаузиусом и В. Томсоном, так и другими учеными, авторами термодинамических сочинений. Ранкин является автором первого руководства по технической термодинамике", выдержавшего только в Англии почти два десятка изданий и переведенного на многие европейские языки.
Термодинамика обязана ему также введением в обиход ряда терминов, которые широко применяются в физической литературе !«потенциальная энергия», «адиабатический процесс», «адиабата», «изотермический процесс» и др.). Научные интересы Ранкина в области теории теплоты сосредоточивались как в области молекулярно-кинетических представлений, так и в области феноменологии.
Одним из первых он понял значение атомистики для обоснования тепловых законов. Именно на этом пути он почти одновременно с Томсоном н Клаузиусом пришел к основной идее второго начала термодинамики и к некоторым результатам, полученным Клаузнусом в его первой работе. Таким образом, Ранкин в отличие от общепризнанных основоположников второго начала пришел к этому закону не путем пеРесмотра идей Карно, а исходя из определенных гипотез о молеку- " Научную биографию Раикииа ем. а кии Непдгаоп 1агпеа В. Масяпогп КапЫпе.
Сг1ааяогч, !932. "Сми Кап!г!пе \Ч. А гпаппа! о! Ше Меагп епи!пе апд ожег рпгпе гпочега, 1859 (17'" ед. 1.опДоп, !998). 185 лярной структуре тел. В отличие от тех ученых, которые спустя полтора десятка лет на основе молекулярно-кинетической теории и законов механики пытались дать чисто механическое обоснование второго начала и получить его аналитическое выражение, Ранкин использует свою гипотезу для обоснования уже известных закономерностей в области тепловых явлений, а также получает ряд новых следствий, одним из которых было положение, эквивалентное по своему смыслу второму началу. Надо сказать, что «энергетики» искажали роль Ранкина в развитии термодинамики.
В частности, Гельм в книге «Энергетика в ее историческом развитии» " считает Ранкина одним из основоположников «энергетики» и посвящает ему специальную главу. С другой стороны, Мах в своей книге «Принципы учения о теплоте в их историко-критическом развитии»" уделяет Равнину всего лишь несколько строк, ограничиваясь выводом, что «его работы не имели такого принципиального значения, как исследования двух других ученых» (имеются в виду Клаузяус и В. Томсон.— Я. Г.).
Конечно, по значимости работы Ранкина уступают работам Клаузиуса и В. Томсона, но в истории термодинамики он, безусловно, оставил заметный след. Об этом говорил и сам Клаузнус, об этом писали и авторы фундаментальных трудов Вердэ и Рюльман. Отметим некоторые результаты Ранкина, полученные в период становления второго начала, которые он сам считал наиболее важными.
Эти результаты Ранкин перечисляет в небольшой заметке «О механической теории тепла»ее, написанной в форме письма издателям «РЫ!оэорЫса! Маоаг!пе». Вскоре после публикации первой работы Клаузиуса в «Роидепдог!'з Аппа1еп» с ней познакомился Ранкин. К этому времени он уже достаточно далеко ушел в разработке своей вихревой теории и, как следствие ее, получил ряд результатов, по своему физическому смыслу совпадающих с результатами немецкого физика. В связи с этим Ранкин направил издателю «Анналов» Поггендорфу письмо, в котором весьма кратко без промежуточных вычислений говорит о своих результатах.
Английский текст этого письма одновременно был им послан в «РЫ!оэорЫса! Маваг!пе». Издатели «РЫ!озорЫса1 Маваг)пе» опубликовали английский текст письма Поггендорфу одновременно с переводом мемуара Клаузиуса во втором томе журнала ". Вот что писал Ранкин Поггендорфу: " Смл Н е)т С.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
