Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 64

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 64)

Эта теория, будь она создана, и представляла бы реальную «настоящую» термодинамику. Попытки создания такой теории стали предприниматься уже в первые десятилетия ХХ в. различными учеными, подчас не знавшими о работах друг друга. Эти ученые шли разными путями, но иногда приходили к одинаковым результатам. Понятие необратимости и связанное с ним понятие энтропии появилось впервые в рамках классической термодинамики. Второе начало термодинамики, распространенное Клаузиусом на необратимые процессы и выраженное математически в виде известного неравенства, можно было уже рассматривать как соотношение кинетического вида, поскольку в нем содержалось указание на направление реально протекающих процессов.

Из этого неравенства можно было чисто математическим путем. получить и другие неравенства, справедливость которых подтверждалась опытом. Но пользы от этих неравенств для расчета конкретных процессов не было, во-первых, потому, что это были именно неравенства, а также и потому, что в них не содержалось никаких указаний на скорости процесса. Термодинамика необратимых процессов столкнулась с принципиально новыми задачами, потребовавшими не только обобщения понятий и представлений классической термодинамики, но и введения совершенно новых понятий. Так, например, процессы в открытых системах, т. е. системах, обменивающихся массой и энергией с окружающей средой, не могли быть изучаемы методами равновесной термодинамики. Исследования итальянского математика Вольтерра о биологических ассоциациях, которые являются открытыми системами, а также исследования непрерывных химических реакций, проведенные рядом авторов (Лотка, Денбиг), показали, что основные кинетические характеристики системы должны рассматриваться как функции скорости поступления и удаления и скорости внутренних поступлений.

Попытки изучать подобного рода процессы потребовали обобщения понятия энтропии и введения закона о «произаодстве энтропии» и его соответствующего математического выражения. Другим важным моментом в развитии термодинамики необратимых процессов был вопрос об обосновании применимости фундаментальных понятий классической термодинамики — температуры и энтропии, установленных в рамках равновесной теории,— к термодинамике необратимых процессов. В какой-то степени положительный ответ на этот вопрос был дан еще Клаузиусом в его работах, в которых он распространил второе начало на необратимые процессы. Теперь же вопрос ставился шире: можно лн говорить 23У об энтропии и температуре системы, не находящейся в состоянии термодинамического равновесия? Интересные соображения по этому поводу были высказаны В.

К. Семенченко: еПодобный вопрос никем из исследователей, работавших в этой области. не ставился по отношеншо к энергии; подозрительное отношение к энтропии, по нашему мнению, было в значительной степени связано с работами по аксиоматике второго начала, ставившими под сомнение реальность энтропии как чисто физической величины. Необходимо подчеркнуть, что с чисто термодинами ~есной точки зрения энтропия и температура являются, подобно дпвленшо и объему, сопряженными величинами, определяюшилш взаиличо друг друга на основании второго закона, поэтому отрицание одной неизбежно влечет за собой и отрицание реальности другой величины, сопряженной с первой.

Во всяком случае, если признать, что каждому элементу объема данной системы можно приписпть определенные значения плотности ~т. е. малярного или удельного объема) и внутренней энергии, то это дает возможность с той же степенью достоверности говорить и об определеннол~ значении энтропии для него..В этом случае температура для адиабатических процессов определится как первая производная энергия по энтропии, и мы можель наити для того же элемента объема значение любого из термодинанических потенциалов» '". До появления в начале 30-х годов классических работ Л.

Онзагера, роль которого в развитии термодинамики необратимых процессов примерно такова же, какова роль Клаузиуса в классической термодинамике, рядом ученых были уже получены важные результаты. С середины 30-х годов стали появляться обобщающие работы и с тех пор термодинамика необратимых процессов стала бурно развиваться.

Ускоренный темп развития пауки, наблюдающийся в последние десятилетия, коснулся и этой области знания. Термодинамика необратимых проццссов превратилась в стройную, логически замкнутую физическую теорию за гораздо более короткий срок, чем это произошло с классической термодинамикой. Особенно интенсивно термодинамика необратимых процессов развивается последние десятилетия.

Это обусловлено новыми техническими задачами, которые возникли перед теоретическими науками в связи с развитием ядерной энергетики, реактивной техники, химической технологии и других новых областей современной техники. Элементы термодинамики неравновесных процессов в классических теориях Термодинамика неравновесных процессов основана на трех классических законах сохранения — законе сохранения энергии, массы и импульса и двух новых принципах, сформулированных в 20 — 30-е годы ХХ вл принципе производства энтропии (законе изменения энтропии) и на линейных соотношениях между термодинамическими силами и потоками.

Поэтому история термодинамики необратимых процессов в это и история фундаментальных принципов, законов сохранения, классической физики. Кроме того, основные понятия, лежащие в основе двух последних принципов— гм Де н бит К. Термодинамика стационарных необратимых процессов, с.!О. 288 производстве энтропии и линейных соотношений,— также возникли в рамках классической физики.

Рассмотрим этот вопрос подробнее. Уже основоположники термодинамики понимали, что термодинамические методы ограничены в своих возможностях и применимы строго лишь к системам, находящимся в равновесном состоянии с обратимо протекающими в них процессами. По существу, распространение Клаузиусом второго начала термодинамики и связанного с ним понятия энтропии на необратимые процессы явилось первой попыткой расширения области применения термодинамики. Но Клаузиус не рассмотрел в этом плане конкретные системы и не предложил метод их исследования с учетом необратимо протекающих процессов. В этом отношении В. Томсон сделал определенный шаг вперед. Выше уже говорилось об исследовании английским ученым термоэлектрических явлений и о полученных им результатах.

Именно в связи с указанными работами В. Томсон в 1851 г. наметил общий подход к исследованию совместно протекающих обратимых и необратимых процессов. Высказанная им в связи с этим гипотеза послужила отправным пунктом развития термодинамики необратимых процессов. Томсон отмечает, что в цепи, состоящей из разнородных металлов, при прохождении по ней электрического тока протекают как обратимые, так и необратимые процессы. Действительно, вопервых, возникает эффект Пельтье: места контактов разнородных участков цепи приобретают определенную разность температур; во-вторых, возникший перепад температур вдоль цепи с током приводит к появлению еще одного теплового эффекта — эффекта Томсона.

Оба указанных эффекта являются обратимыми процессами, поскольку они меняют знак при изменении направления тока в цепи. Но, кроме того, прохождение тока в цепи будет сопровождаться и двумя необратимыми эффектами — теплопроводностью и выделением джоулевой теплоты вследствие сопротивления цепи. Так как все эти явления между собой взаимосвязаны, то невозможно добиться того, чтобы свести до пренебрежимо малой величины влияние необратимых эффектов и сделать возможным точное выполнение условия применения принципов термодинамики. «лТело не только в том,— писал Томсон,— что условия, предписываемые вторым началом динамической теории тепла, выполняются здесь не полностью, но и в том, что доля процессов, которьье этим условиям удовлетворяют, во всех известных термоэлектрических явлениях чрезвычайно мала по сравнению с неразделимо связанными с ними процессами, нарушающими эти условия в существенных пунктике.

В ч. Ъ'1 «Динамической теории теплоты», посвященной специально термозлектричеству, имеется раздел «Предварительное исследование термодинамических условий относительно электрических токов в линейной цепи», где Томсон детально анализирует возможность применения принципов термодинамики к термоэлектрическим явлениям. Он пишет здесь: 239 «Прежде Чем заняться специильнььии проблемияи теряоэлектричества, необходипо более полно исследовать условия взаимного превращения тепла и работы...

Явление Пельтье соответствует второму началу динамической теории теплотьц так как оно ооратимо. По прежде, чс.и применять аервое или второе нпчало, необхсодчмо принять во вни.чание и другие терпоэлектрические явления и выяснить, обратимы они али нет» 185, ж 11, р. 311]. Поскольку даже в абстракции невозможно придумать обратимую термоэлектрическую цепь, так как невозможно разделить обратимые и необратимые эффекты, то Томсон формулирует гипотезу, дающую ему основание применить термодинамический метод к термоэлектрической цепи, рассматриваемой как целое; «Электродвижущие сильц возникающие при неравенствах температур в цепи, состоящей из разнородных металлов, и являющиеся причиной тепловых эффектов электрического тока в ней, могут служить объектом приненения закояов, вытекающих из общих принципов динамической теории тепла, если даже в этой ценя происходит процесс теплопроводности» 185, ч.

11, р. 311]. Таким образом, Томсон, по существу, предложил как бы расчленить совместно протекающие обратимые и необратимые процессы и в соответствующем балансе величин, характеризующих обратимые процессы, не учитывать фактор необратимости. Так, например, для стационарного состояния в термоэлектрической цепи это означает: если ЛЗ, и ЛЗ~ — изменения энтропии тепловых источников в двух спаях термоцепи, вызываемые теплом Пельтье, Л5з и ЛЗэ — изменения энтропии, возникшие благодаря эффекту Томсона, то можно записать, что Л5,+ЛЯ~+ЛЗэ+ЛЯэ=О, несмотря на появление в цепи энтропии.

Характеристики

Список файлов книги