Термодинамическая картина мира (ТКМ).

Промышленная революция и развитие теории теплоты. Классическая физика пыталась свести все силы к силам притяжения и отталкивания. Однако вскоре выяснилось, в природе встречаются и более сложные связи. Прежде всего, эти связи проявились при изучении тепловых явлений и фазовых переходов.

Во-первых, у одного и того же следствия могут быть разные причины: например, превращение насыщенного пара в жидкость за счет повышения давления или понижения температуры. Во-вторых, оказалось, что при тепловых процессах состояние отдельных частиц (молекул) не отражает состояние системы в целом.

Если рассмотреть, например, тепловое движение, то здесь параметры отдельной частицы: скорость, кинетическая энергия, импульс изменяются без изменения макропараметров (Т 0, Р, V), которые характеризуют систему в целом. Следовательно, состояние системы не определяется состоянием отдельных частиц. Пристальное изучение тепловых явлений началось уже во 2-й половине 18 в. Это было связано с началом промышленной революции, изобретением и внедрением паровых машин.

Учёные, чьи труды легли в основу физики тепловых явлений: Жан Батист Фурье ( ), вывел дифференциальное уравнение теплопроводности.

Никола Леонарда Сади Карно ( ), исследовал работоспособность тепловых машин.

Бенуа Поль Эмиль Клапейрон ( ), вывел уравнение состояния газа, впоследствии обобщенное Менделеевым в известное как уравнение Клапейрона- Менделеева.

Подлинным основателем механической теории теплоты считается немецкий физик Рудольф Эмануэль ( ), вошедший в историю науки под латинским псевдонимом Клаузиус. В середине 19-го века он начал исследовать принцип эквивалентности теплоты и работы и введя понятие внутренней энергии, пришёл к пониманию взаимопревращения энергии.

Работа в механике. Закон сохранения и превращения энергии в механике. Механическая работа A=F*x, где А – работа, F – сила, x – перемещение. Сообщить телу кинетическую энергию можно двумя способами: а) передать при столкновении (например, удар шаров); б) подталкивая с помощью некоторой силы F.

Работа и энергия, как составные части, входят в один и тот же закон сохранения. Пример взаимодействия тела и пружины. Тело, двигаясь, сжимает пружину, и, растрачивает свою энергию на сжатие пружины, останавливается. Вслед за этим пружина начинает распрямление, ускоряет тело. Вся совершаемая при этом работа уходит на увеличение кинетической энергии тела.

В тот момент, когда движение прекратилось, а вся кинетическая энергия затратилась на сжатие пружины, запас кинетической энергии не пропал бесследно, а перешел в запас энергии, которым обладает пружина в сжатом состоянии. Такая форма энергии называется потенциальной. Другой способ запасти такую энергию - поднять груз на высоту.

Таким образом, термин потенциальная энергия относят к энергии запасенной в деформированном теле или в теле, поднятом на высоту, то есть, к запасу энергии, обусловленному положением тела в некотором поле и природой самого поля. Такими полями, могут быть гравитационное и электростатическое поле.

Консервативные и диссипативные силы. Силы, величина которых зависит от взаимного расположения, или конфигурации тел и не зависит от движения, называются консервативными. Это – силы, которые проявляются в потенциальных полях. Потенциальная энергия – свойство системы материальных тел совершать работу при изменении конфигурации тел в системе. Таким образом, работа может быть определена как мера изменения энергии.

Закон сохранения и превращения энергии в механике: Полная энергия замкнутой консервативной системы тел, равная сумме потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной. При этом: 1) система должна быть изолированной от внешних воздействий (замкнутость системы); 2) система должна быть консервативной, т.е. в ней должны быть только консервативные силы.

В случае, если работа сил зависит от формы пути или же сами силы зависят от скорости движения, механическая энергия системы не сохраняется. Например, при воздействии силы трения происходит уменьшение, «рассеяние» энергии, другими словами диссипация энергии.

Теплородная и кинетическая теория теплоты. В 18-м – начале 19-го века в науке господствовала теплородная теория тепловых явлений. «Теплород – вещественная причина жара, тепла и холода, непостижимо тонкая жидкость, изливающаяся из Солнца и проникающая во все тела физического мира, невидимая, невесомая и только ощущением ощущаемая»

Бенджамин Румфорд осуществил (1798) ряд опытов, устанавливающих зависимость между трением и теплотой, выделяемой при сверлении пушечных стволов. Исходя из проведенных экспериментов, он сделал вывод, что теплота является особым видом движения движением частиц вещества. Теоретический анализ процесса превращения теплоты в работу сделал Сади Карно в 1827-м году, он окончательно заключил, что теплота и механическая работа обратимы одна в другую. Значение механического эквивалента теплоты было определено Джеймсом Джоулем в 1843-м году.

Термодинамика. Первоё и второе её начало термодинамики. Термодинамика – наука об особенностях превращения тепловой формы движения в другие, не интересуясь вопросами микроскопического движения частиц, составляющих вещество. Термодинамика появилась благодаря работам Роберта Майера, Джеймса Джоуля ( ), Германа Гельмгольца ( ), Сади Карно, Рудольфа Клаузиуса, УильямаТомсонома.

При исследовании тепловых явлений выделились два научных направления: 1. Классическая термодинамика, изучающая тепловые процессы без учёта молекулярного строения вещества именно она составляет основу так называемой Термодинамической Картины Мира (ТКМ), которая сформировалась к середине 19-го века.

2. Молекулярно-кинетическая теория (развитие кинетической теории вещества в противовес теории теплорода). В отличие от классической термодинамики молекулярно- кинетическая теория характеризуется рассмотрением различных макроскопических проявлений систем как результатов суммарного действия огромной совокупности хаотически движущихся молекул.

Первое начало термодинамики. Количество теплоты, сообщенное газу, идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение газом внешней работы.

Каждое тело имеет внутреннюю энергию U. Внутреннюю энергию можно увеличить двумя эквивалентными способами: проведя над телом механическую работу -А, или сообщая ему количество теплоты Q. Q = D U + A

Второе начало термодинамики В 1811 г. Жан-Батист Фурье сформулировал закон теплопроводности, согласно которому количество теплоты, которое переносится в единицу времени через единицу площади поверхности вдоль какого-либо направления (т.е. через единицу длины), прямо пропорционально величине изменения температуры вдоль этого направления.

При этом количество теплоты переносится от участков с большей температурой в направлении участков с меньшей температурой и никогда наоборот. Теплопроводность приводит к всё большему выравниванию температур до тех пор, пока распределение температуры во всех точках пространства рассматриваемой изолированной системы не станет одинаковым.

Закон теплопроводности уже выходил за рамки классической ньютоновской механики по той причине, что описывал необратимый процесс, а все законы ньютоновской механики являются обратимыми. Так в науку вошло понятие необратимости, дальнейшее развитие которого связано с работой Сади. Карно по исследованию действия паровых машин.

Цикл Карно

В любом непрерывном процессе превращения теплоты от горячего нагревателя в работу непременно должна происходить отдача тепла холодильнику. Таким образом, Первое начало термодинамики утверждает закон сохранения энергии, её баланс, то Второе начало определяет направления превращения энергии.