Кричевский И.Р. Понятия и основы термодинамики (1185131), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Количество теплоты, которую система отдает воде за данный промежуток времени, можно вычислить по рас. ходу воды за это время и температурам воды на входе в цилиндр и на выходе из него. При постоянстве температуры рассматриваемой системы остаются постоянными и все прочие ее свойства, — состояние * Описание этого знаменитого опыта Джоуля полностью приведено в [27), пересказ опыта — в [281. 109 системы не изменяется, Процесс, при котором система при неизменном своем состоянии обменивается работой и теплотой с другими системами, получил название стационарного процесса.
Из-за неизменности состояния системы при стационарных процессах отношение количества работы к количеству теплоты (за один и тот же промежуток времени) равно механическому эквива. ленту теплоты. Для равномерного вращения цилиндра необходимо было смазать трущиеся друг о друга поверхности цилиндра и нажима. Смазка тогда составляла часть системы. При трении смазка могла окисляться, и состояние системы изме- р нялось.
Поэтому процесс не был стро- 1 го стационарным, и вычисление меха- нического эквивалента теплоты не д было вполне точным, На это указал Клаузиус в отзыве об исследованиях Гирна э [29). Джоуль [16) устранил недостаток опытов Гирна; он предложил (1878 г.) остроумный вариант нажима Прони. Калориметрический сосуд А установки. Джоуля для изме- (Рис. ! 1) являлся нажимом Прони в рения механического эквива- установке Джоуля. Мешалка хэ' вралента теплоты. щалась и перемешивала жидкость, на- литую в сосуд А. Вследствие трения жидкости о стенки сосуда он тоже приходил во вращение в направлении, указанном стрелкой.
Для удержания сосуда в покое необходимо было приложить силы Р в точках а и а'. Например, в этих точках можно было прикрепить шнурки к корпусу калориметрического сосуда, перебросить шнурки через неподвижные блоки и подвесить к свободным концам шнурков по грузу Р. Опыт Джоуля представлял собой, в отличие от опыта Гирна, круговой процесс.
Как и описанный раньше опыт Джоуля, он состоял из двух стадий: с совершением работы над системой без отдачи теплоты и (после остановки мешалки) с отдачей теплоты системой без совершения работы. Джоуль, как и в первом опыте, осуществлял экспериментально только первую стадию. Вычислим работу, совершаемую над системой за время т сек, когда мешалка вращается со скоростью и об/сек и грузы удерживают калориметрический сосуд в покое. Для этого примем, что мешалка неподвижна, но калориметрический сосуд вращается под * Гири был сильным экспериментатором, но очень слабым мыслителем. Гири провел свои исследования для доказательства того, что механический эквивалент теплоты не имеет постоянного значения (1).
В 1858 г. Гири мало понимал суть дела Он вычислял механический эквивалент теплоты и для некругового. и для нестапионариого'пропесса. Отзыв Клаузиуса внес ясность, н Гириу была присуждена премия за его исследования. 11О действием сил Р в противоположном направлении со скоростью и об/сек. Пусть наружный радиус калориметрического сосуда равен г.
Тогда точка приложения каждого груза пройдет за время т путь 2пгпт. Работа гв, совершаемая двумя грузами Р, равна гв 4пргп« Если вес груза выражать в кгс, а радиус мешалки в м, то работа гв будет выражена в кгс м. Из-за относительности движения мешалки и сосуда вычисленная работа гс и есть работа, совершаемая над системой, когда мешалка вращается, а сосуд находится в покое 126].
Вычисление количества теплоты, которую система отдает во второй стадии кругового процесса, ничем не отличается от уже изложенного вычисления для первого опыта Джоуля. Опыты Джоуля являются убедительным экспериментальным доказательством принципа эквивалентности. «Вначале эти опыты имели своей основной целью доказательство постоянства 7. Например, в опытах с трением заранее не было г(чевидно, что природа трущихся поверхностей не отразится на количестве теплоты, выделенной при одной и той же затрате работы. Такая проверка нам кажется несколько детской.
Но слишком легко говорить: «это очевидно», когда истина уже прочноустановлена. Это очевидно для нас, это не было очевидным в 1850 году» 130]. Последующие измерения имели своей целью не доказательство постоянства механического эквивалента теплоты (оно уже было дана), а получение наиболее точного значения этой величины «. Клаузиус назвал принцип эквивалентности между работой и теплотой первым началом термодинамики. «Во всех случаях«",-когда из теплоты появляется работа, тратится пропорциональное полученной работе количество тепла, и, наоборот, при затрате той же работы получается то же количество тепла. Когда затрачивается теплота и вместо нее появляется работа, то можно сказать, что теплота превратилась в работу, и, наоборот, когда затрачивается работа н вместо нее появляется теплота, можно сказать, что работа превратилась в теплоту.
Пользуясь этим способом выражения, можно предыдущему предложению придать следующий вид: Возможно превратить работу в теплоту и, наоборот, теплоту в работу, причем обе эти величины всегда пропорциональны друг другу» ((32]), стр. 91). ' Об измерениях механического эквивалента теплоты после Джоуля можно. прочитать в [28, 31). "* Во всех случаях круговых или стационарных пропессов. Цитируемыеформулировки Клаузиуса относятся только к этим процессам.
(О. К.) Принцип исключенного вечного двигателя Принцип эквивалентности исключает, конечно, возможность осуществить термодинамический вечный двигатель, т. е. этот принцип исключает возможность осуществить круговой процесс, при котором система суммарно совершила бы работу над другими системами без суммарного поглощения эквивалентного количества теплоты от других систем. Принцип исключенного вечного двигателя есть следствиепринципа эквивалентности, он уже последнего.
Мы даже не говорим о том, ито принцип исключенного вечного двигателя обращает внимание только на одну сторону явления: на невозможность суммарного получения работы в круговом процессе без суммарного (и эквивалентного) поглощения теплоты. Невозможна также суммарная затрата работы в круговом процессе без суммарного (и эквивалентного) выделения теплоты.
Но главное не в этом. Главное в том, что из принципа исключенного вечного двигателя не вытекает принцип эквивалентности между работой и теплотой. Принцип исключенного вечного двигателя совместим с вещественной природой теплоты [2].
Читатели познакомятся в главе У1П с работами Карно, который придерживался вещественной теории теплоты и в то же время проводил анализ действия тепловых машин с позиций принципа исключенного вечного двигателя. Из первого начала термодинамики вытекает принципиальная неосуществимость некоторых процессов. На этом основании Унттекер причислил первое начало к «постулатам бессилия» 133]. Такое название неправильно не только по существу, но и по форме. Как «постулат бессилия» первое начало термодинамики ничем не отличается от любого закона природы.
Каждый закон природы, утверждая одно, отрицает в то же время другое. Из закона об обратной пропорциональности между давлением н объемом идеального газа при постоянной температуре, конечно, следует, что мы бессильны уменьшить объем газа при постоянной температуре без увеличения давления газа. Принцип эквивалентности является вторым основным законом термодинамики. В главе УП из этого принципа будут сделаны важные выводы.
Выводы Ф. Энгельс писал (!882 г.); «Что трение производит теплоту, это было известно иа практике уже доисторическим людям, когда они изобрели — быть может, уже 100000 лет тому назад, способ получать огонь трением, а еще ранее этого согревали холодные части тела путем их растирания. Однако отсюда до открытия того, что трение вообще есть источник теплоты, прошло кто знает сколько тысячелетий. Но так илн иначе настало время, когда человеческий мозг развился настолько, что мог высказать суждение: «трение есть источник теплоты», » «Прошли новые тысячелетия до того момента, когда в !842 г. Майер, Джоуль и Кольдинг * подвергли исследованию этот специальный процесс со стороны его отношений к открытым тем временем другим процессам сходного рода, т.
е. со стороны его ближайших всеобщих условий, и формулировали такого рода суждение; «всякое механическое движение способно посредством трения превращаться в теплотуж Столь продолжительное время и огромное множество эмпирических знаний потребовалось для того, чтобы продвинуться в позьании предмета... Но теперь дело пошло быстро. Уже через три года Майер смог поднять — по крайней мере, по сути дела — суждение рефлексии на ту ступень, на которой оно имеет силу ныне: «любая форма движения способна и вынуждена при определенных для каждого случая условиях превращаться, прямо или косвенно, в любую другую форму движенияз (1]), стр 539). Последнее обобщение выходит за пределы собственно термодинамических вопросов.
Их рассмотрением ограничивается эта глава. Для термодинамики основным итогом длительных исследований является установление принципа эквивалентности между работой и теплотой — установление первого начала термодинамики. Какова бы ни была система, примененная для превращения работы в теплоту или теплоты в работу, имеется постоянное отношение между суммарным количеством работы и суммарным количеством теплоты для любого процесса, лишь бы конечное состояние системы было тождественным с ее начальным состоянием. Последнее условие всегда выполнимо в двух случаях: для кругового процесса и для стационарного процесса. ЛИТЕРАТУРА 1. Ма р к с К., Энгельс Ф., Сочинения, изд. 2-е, т.
20, Госполитиздат, 1961, В работе Ф Энгельса «Диалектика природы», 2. П л а н к М., Принцип сохранения энергии. Вступительная статья С. Г. Суворова, ГОНТИ НКТП СССР, ред. техн.-теорет. лиг., 1938, 3 Н а а з А. Е., О!е Еп1чдсыцпязяезс]нсще без Ба1гез чоп бег Егьанцпн бег Кгарь %1еп, 1909. См также: Мега Л. ТЬ., А Нцногу о1 Епгореап Тьопнш 1п Гпе Ы!пе1ееп!и Сев[игу. Чо1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
