Радушкевич Л.В. Курс термодинамики (1185140), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В 1842 г. появилась первая работа немецкого врача и естествоиспытателя Р. Майера «Размышления о силах неживой природы», вначале не привлекшая внимания большинства ученых, стоявших еще на старых позициях. Далее, в 1847 г. была издана монография молодого немецкого врача Г, Гельмгольца (впоследствии крупнейшего физика и физиолога) под названием «О сохранении силы». Наконец, с 1843 по !856 г. Джэуль в Англии проводил экспериментальные определения механического эквивалента теплоты, представляющего собой количество механической энергии, дающее при превращении единицу количества теплоты (выражаемой в килокалориях), Работа Майера была в основном философски умозрительной, хотя он впервые вычислил значение механического эквивалента теплоты по данным опытов Реньо В монографии Гельмгольца подчеркивается общее значение первого начала, дается математическая формулировка и рассматривается большое число различных его приложений в физике.
Таким образом, здесь выделяется теоретическое значение первого начала. Работы Джоуля показали постоянство величины механического эквивалента теплоты в разнообразных процессах превращения энергии и тем самым подвели экспериментальную базу под закон Э 10.
Краткий исторический очерк развития термодинамики 31 сохранения энергии. После исследований Джоуля и других ученых этот закон прочно утверждается в науке. Впрочем, термин «энергия» еще не применяется в ранних трудах. Выделение понятий «энергия» и «сила» постепенно подготавливалось прн развитии механиии, Еще Лейбниц отличал живую силу (чи чтяа) от других видов сил, яо, хотя эта «живая сила» имеет размерность энергии (мы называем ее теперь кинетической энергией), ранее в механике отдельным понятием энергии ие пользовались.
Термин «энергия» встречается еще у Аристотеля; позднее его применяли Кеплер, Галилей, Лейбниц, но не связывали с ним точных представлений. Обратим внимание, что даже труд Гельмгольца, где рассматривается сохранение энергии, носил название «О со. хранении силы». Заметим также, что о сохранении движения имелись высказывания многих ученых еще задолго до работ Майера, Гельмгольца и Джоуля. Так, ясно выраженная идея сохранения имеется в работах Ломоносова, у Декарта и других. Но все эти весьма общие формулировки (скорее догадки) не могли служить точному установлению и упрочению первого начала термодинамики. Последовательное развитие второго начала мы находим в ряде работ Клаузиуса (1850 — 1876 гг.), где даны классические формулировки второго начала, а также сделаны первые шаги в развитии молекулярной теории. В работах Клаузиуса впервые вводится важнейшее занятие термодииамики— «энтропия» и рассматриваются ее свойства. К этому же периоду — середина Х!Х в.
— относятся труды В. Томсона (Кельвина) и Дж. Кл. Максвелла, где даются новые формулировки начал термодинамики, уточняется понятие температуры, вводится абсолютная шкала температур и впервые применяются так называемые характеристические функции термодинамики. Наконец, в работах Л. Больцмана и особенно Дм. В.
Гиббса, относящихся ко второй половине Х!Х в., закладываются основы статистической термодинамики. Развитие этого современного нам направления тесно связано с постепенным формированием молекулярно-кинетической теории в трудах тех же ученых. Одновременно с созданием основ классической термодинамики умножаются и растут ее приложения в теплотехнике, в физической химии, в теории излучения, в астрофизике и т. п. Наибольшего развития классическая термодинамика достигает в «Термодинамических работах» Гиббса, который последовательно пользуется термодинамическими функциями, впервые формулирует правило фаз и кладет основу' химической термодинамики, играющей важную роль в современной физической химии, В начале нашего века Нернст формулирует третье начало термодинамики и создает теорию поведения систем вблизи абсолютного нуля.
М. Планк и В. Оствальд систематизируют результаты развития классической термодинамики и рассматривают ряд важных ее приложений. Новейшее развитие термодинамики в основном опирается на статистическую физику, хотя существует н направление «чистой термодинамики», называемое аксиоматикой, Задачи !. Доказать, что выражение с(В = (х + г) с(х + (у + г) с(у + (х + у) е(г является полным дифференциалом.
2. Почему соотношение г(6 = хЧу — уз«(х не есть полный дифференциал? 1 3. Доказать, что для уравнения йФГ рйУ вЂ” Уйр функция ф(У) = — яв- У« ляется интегрирующим множителем, приводящим уравнение к полному дифференциалу. Глава 2 ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ И ЕГО НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ 5 К ФОРМУЛИРОВКИ ПЕРВОГО НАЧАЛА Значение термодинамики состоит в использовании так называемого термодинамического метода, который может быть применен к разнообразным вопросам физики, физической химии и техники и о котором будет сказано ниже. Здесь будут рассмотрены наиболее важные приложения этого метода к ряду известных вопросов общего курса физики. К ним относятся описания свойств газов, паров и жидкостей, анализ капиллярных явлений, теория критического состояния, принцип действия гальванических элементов, законы излучения, теория равновесия сложных термодинамических систем и другие приложения.
В основе термодинамики лежат два закона, или, как их называют, начала. К ним следует добавить еще третье начало, которое хотя является тоже принципиально важным, но имеет более специальный характер, так как относится к поведению систем вблизи абсолютного нуля температуры. Мы рассмотрим прежде всего два первых начала и их непосредственные применения, после чего перейдем к приложениям метода термодинамики, основанного на этих началах. Первое начало в общем виде представляет .собой закон сохранения и превращения энергии. Этот закон, как известно, является одним из основных законов природы и служит одним из основных положений материалистического взгляда на свойства окружающего мира.
Многовековой опыт человечества и неисчислимые эксперименты, доказывающие сохранение энергии при всех ее превращениях, дают ясную реальную основу для материалистического мировоззрения. Если энергия не творится и не пропадает, то тем самым уже исключается идея о всемогущем творце. Первое начало налагает строгое условие на все процессы природы, которые при всем их разнообразии ограничены условием сохранения энергии. Как всякое широкое обобщение, первое начало допускает ряд различных формулировок, общий смысл которых один и тот же, но их используют для обсуждения разных конкретных задач.
Сначала дадим эти формулировки, а потом представим первое начало в математической форме. й !.Формулировки т начала 33 1. Все виды энергии могут взаимно превращаться в строго равных друг другу количествах; за единицу количества энергии (или работы) в системе единиц СИ принимается один джоуль. В наиболее распространенном случае, а именно превращения механической энергии в теплоту, всегда определенному количеству механической энергии соответствует одно и то же количество получаемой теплоты.
Если механическая энергия выражается в джоулях, а теплота — в калориях, то говорят об эквивалентности. Многочисленные экспериментальные измерения показали, что термический эквивалент работы, т. е. отношение механической энергии (или работы) к соответствующему количеству теплоты, один и тот же, и он принимается равным э' = 4,1888 дж!кал. 2. Невозможно построить такую периодически действующую машину, которап давала бы полезную работу без затраты энергии извне, т. е.
даровым путем. Подобное устройство, называемое вечным двигателем первого рода, противоречит закону сохранения энергии и потому невозможно. Известно, что в прошлом было сделано множество безуспешных попыток построения такой машины, или, как ее называли (не вполне точно), перпетуум мобиле. Неудачи с построением вечного двигателя заставили французскую академию наук еще в 1775 г. объявить раз навсегда, что она больше не будет рассматривать мнимых решений этой задачи.
В настоящее время в соответствии с законом сохранения энергии мы принимаем в принципе, что вечный двигатель первого рода невозможен. (О вечном двигателе второго рода, который тоже невозможен, будет сказано ниже). Заметим, что речь идет о периодически работающем двигателе, тогда как в общем случае вечное движение возможно и вполне реально. 3.
Внутренняя энергия вполне изолированной системы есть величина постоянная. Остановимся на третьей формулировке первого начала, поскольку первые две достаточно хорошо известны и потому, что эта третья связана с общим математическим выражением закона сохранения энергии. Пусть в некотором процессе — макроснстеме сообщено количество теплоты ЬЯ. Часть этого тепла может пойти на нагревание системы (тела), часть из общей теплоты идет на изменение агрегатного состояния тел системы, например на плавление и на парообразование. Возможно, что известная часть теплоты может пойти на более сложные процессы, например на пере- кристаллизацию, на полиморфные превращения, а также на растворение твердых тел.
Опыты показывают, что эти явления требуют сообщения теплоты, хотя часть теплоты, выделяющейся при этом может передаваться от таких тел к соседним телам. 34 Г л а в а 2. Первое начало и его неноередетвеннме нримененин Во всяком случае, перечисленные случаи передачи теплоты обусловливают различные изменения внутренней энергии системы или входящих в нее тел. Например, нагревание приводит к увеличению кинетической энергии движения молекул тела; изменение агрегатного состояния, например плавление твердых тел, связано с изменением внутренней потенциальной энергии частиц тела, обусловленной силами атомного или молекулярного взаимодеиствия. В целом общая сумма полученной системой теплоты идет на изменение внутренней энергии тела.
Однако, кроме указанных случаев, часть сообщенной телу теплоты может превращаться во внешнюю работу, например работу увеличения объема или изменения поверхности и т. д. Мы знаем, что при всех перечисленных явлениях закон сохранения энергии строго соблюдается, т, е. должен иметь место баланс полученной системой теплоты, изменения внутренней энергии и совершенной внешней работы. Если полученная системой теплота есть ГхЯ, сумма всех изменений внутренней энергии равна ЬУ, а сумма всех видов совершенной внешней работы, состоящей из слагаемых АнЛам то уравнение баланса энергии должно быть: ЬЯ = асl+ ~А,Ьа,. (2,1) Отдельные слагаемые в этом равенстве могут иметь разные знаки или быть равными нулю.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
