Чем была вызвана необходимость создания и дальнейшего развития технической термодинамики

История и развитие термодинамики

Вы будете перенаправлены на Автор24

История становления и внедрения в науку закона сохранения и превращения внутренней энергии способствует развитию сразу двух абсолютно различных, но взаимно дополняющих друг друга способов исследования тепловых процессов и свойств макросистем: термодинамического, который и является основой термодинамики, и статистического, стал следующим этапом развитием кинетической теории физического вещества и заложил базу молекулярной физики.

Рисунок 1. Развитие термодинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Основы термодинамического метода за достаточно короткий период времени определяли состояние физики, а также систем, которые выступали в качестве звена для макроскопических элементов, взаимодействующих и обменивающихся энергией с внешней средой.

Стоит отметить, что первую более детализированную формулировку закона сохранения сил предоставили немецкий физик-теоретик Рудольф Кладдиус, и английский исследователь Уильям Томсон. Значительный вклад в развитие термодинамических начал также внесли английский ученый Джеймс Максвелл и австрийский изобретатель Людвиг Больцман. В результате научных работ было определено, что теплота и объем представляют собой форму энергии. Вскоре принцип теплорода был успешно заменен гораздо более глубокой гипотезой сохранения тепловой энергии.

Готовые работы на аналогичную тему

Состояние любой макросистемы изначально задается термодинамическими показателями, характеризующими ее основные свойства.

Обычно ключевыми критериями в термодинамике выступают:

В термодинамике тепловые процессы описываются посредством величин, регистрируемых специальными приборами, не реагирующими на влияние отдельных молекул. Все термодинамические законы относятся к таким объектам, количество молекул которых огромно.

Три этапа развития термодинамики

В развитии термодинамики в XIX веке ученые выделяют три периода, каждый из которых имел свои отличительные свойства:

Далее развитие термодинамики не стояло на месте, а продвигалось ускоренными темпами. Так, американец Гиббс создал в 1897 году химическую термодинамику, то есть сделал физическую химию абсолютно дедуктивной наукой. Этот изобретатель ввел в науку понятие свободной энергии, демонстрирующей, какое количество внутренней энергии возможно получить в результате действия химической реакции. Немецкий естествоиспытатель, Герман Гельмгольц связал также свои опыты с оптикой, электродинамикой, теплотой и гидродинамикой.

Закон сохранения энергии как основной этап в развитии термодинамике

Рисунок 2. Закон сохранения энергии. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Во второй четверти 19 столетие в развитии физики тепловых процессов был введен закон сохранения и превращения энергии. Всё большее внимание исследователи начали уделять изучению физических процессов превращения теплоты в работу, появлялись и развивались идеи о трансформации сил природы в иные вещества.

Дальнейшее становление кинетической теории теплоты и термодинамики напрямую связано с именем выдающегося австрийского физика Л. Больцмана.

Исследователь привел модернизированный вариант доказательства закона распределения скоростей молекул химических веществ, также вывел формулу для идеального газа и первым экспериментально доказал Н-теорему, согласно которой любой элемент, находящийся в нестационарном состоянии, постепенно со временем переходит в состояние термодинамического равновесия. Свое учение Больцман истолковал как факт наличия статистического характера второго начала термодинамики.

Ещё одним важным и обсуждаемым вопросом, непосредственно связанным с развитием термодинамики, были рассуждения ученых на тему о тепловой смерти вселенной. Клаузиус и Томсон уверяли, что второй термодинамический закон возможно распространить абсолютно в любом пространстве и пришли к выводу о её тепловой смерти. Многие физики не соглашались с их точкой зрения. Согласно данному предположению, рассеяние теплоты в окружающей среде с течением времени автоматически приведет к тому, что все физические тела Вселенной окажутся в состоянии термодинамического равновесия. В результате, температура всех веществ станет одинаковой, поэтому другие виды энергии из уже имеющихся получить не удастся.

Концепция «тепловой смерти» имеет физический и философский смысл. Нелепые выводы относительно «непродолжительной жизни» Вселенной, конечно же, одобрили жрецы религии, так как библейская легенда о возникновении мира и о его конце однозначно получила научное подтверждение. Теорию «тепловой смерти» также подхватили философы идеалистического толка и теологи.

Несмотря на многочисленные осуждения, попытки материалистически мыслящих физиков обнаружить ошибку в идеях Томсона и Клаузиуса долго не удавалось. Первым ученым, кто окончательно разрешил вопрос о «тепловой смерти», был австрийский изобретатель Л. Больцман. Создавая статистическую трактовку ключевых положений термодинамики, он констатировал, что результаты коллег неверны.

И причин этому он назвал сразу несколько:

Полученные Томсоном и Клаузиусом результаты противоречат первому началу термодинамики, в котором утверждается невозможность уничтожения движения, в количественном и качественном аспекте. Концепция «тепловой смерти» Вселенной, созданная физиками, ими же была вскоре и похоронена.

Источник

Чем была вызвана необходимость создания и дальнейшего развития технической термодинамики

Люди способны непосредственно ощущать холод и тепло, и интуитивное представление о температуре как степени нагретости тел возникло задолго до того, как возникли соответствующие научные понятия. Развитие научного знания о теплоте началось вместе с изобретением прибора, способного измерять температуру — термометра. Считается, что первые термометры сделал Галилей в конце 16 века.

Термодинамика возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Первые паровые машины появились во второй половине 18 века и ознаменовали наступление промышленной революции. Учёные и инженеры стали искать способы увеличить их эффективность, и в 1824 году Сади Карно в сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» установил максимальный коэффициент полезного действия тепловых машин. Термодинамика как наука ведёт свое начало с этой работы, которая долгое время оставалась неизвестной современникам.

В 40-х годах 19 века Майер и Джоуль количественно определили связь между механической работой и теплотой и сформулировали универсальный закон сохранения и превращения энергии. В 50-е годы Клаузиус и Кельвин систематизировали накопленные к тому времени знания и ввели понятия энтропии и абсолютной температуры.В конце 19 века феноменологическая термодинамика была развита в работах Гиббса, который создал метод термодинамических потенциалов, исследовал общие условия термодинамического равновесия, установил законы равновесия фаз и капиллярных явлений.В 1906 году Нернст опубликовал работу, в которой была сформулирована теорема, впоследствии получившая его имя и известная как третье начало термодинамики.Аксиоматические основы термодинамики были в строгой форме впервые сформулированы в трудах Каратеодори в 1909 году.

Современную феноменологическую термодинамику принято делить на равновесную (или классическую) термодинамику, изучающую равновесные термодинамические системы и процессы в таких системах, и неравновесную термодинамику, изучающую неравновесные процессы в системах, в которых отклонение от термодинамического равновесия относительно невелико и ещё допускает термодинамическое описание.

В равновесной термодинамике вводятся такие переменные, как внутренняя энергия, температура, энтропия, химический потенциал. Все они носят название термодинамических параметров (величин). Классическая термодинамика изучает связи термодинамических параметров между собой и с физическими величинами, вводимыми в рассмотрение в других разделах физики, например, с гравитационным или электромагнитным полем, действующим на систему. Химические реакции и фазовые переходы также входят в предмет изучения классической термодинамики. Однако изучение термодинамических систем, в которых существенную роль играют химические превращения, составляет предмет химической термодинамики, а техническими приложениями занимается теплотехника.

В системах, не находящихся в состоянии термодинамического равновесия, например, в движущемся газе, может применяться приближение локального равновесия, в котором считается, что соотношения равновесной термодинамики выполняются локально в каждой точке системы. Однако в неравновесной термодинамике переменные рассматриваются как локальные не только в пространстве, но и во времени, то есть в её формулы время может входить в явном виде. Отметим, что посвящённая вопросам теплопроводности классическая работа Фурье «Аналитическая теория тепла» (1822) опередила не только появление неравновесной термодинамики, но и работу Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824), которую принято считать точкой отсчёта в истории классической термодинамики.

Классическая термодинамика включает в себя следующие разделы:

Кроме этого, современная термодинамика включает также следующие направления:

Источник

История развития термодинамики

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КЕРЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра математики, физики и информатики

Кузьменко С.Н., Попова Т.Н.

ФИЗИКА

РАЗДЕЛ

«ТЕРМОДИНАМИКА.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА»

для студентов и курсантов специальностей:

и для студентов направлений подготовки:

очной и заочной форм обучения

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Современная физика является многопрофильной наукой, охватывающей чрезвычайно большое число различных по содержанию научных направлений, представляющих фундамент естественных и технических дисциплин.

Основной целью изучения дисциплины «Физика» для будущих специалистов и инженеров является как закрепление теоретических знаний, полученных в процессе освоения школьной программы, так и получение новых теоретических знаний для решения практических проблем, связанных, прежде всего, с энергетикой и технологиями.

К другимважным целям изучения дисциплины относятся:

© раскрытие ключевой роли физики в научно-техническом прогрессе цивилизации;

© развитие умений и навыков научного исследования;

© формирование научно-культурного мировоззрения студентов;

© воспитание у студентов аналитического физического мышления с приложением фундаментальных законов физики к объяснению естественных явлений и научно-технических проблем цивилизации;

© формирование целостного (системного) представления о природе и обществе.

Задачи курса:

© овладение студентами и курсантами научными методами познания окружающего мира;

© усвоение важнейших теоретических физических законов;

© обучение методам решения практических физических задач;

© освоение всей программы курса и приобретение навыков самостоятельной познавательной деятельности.

Дисциплина «Физика» входит в состав базовой части математического и естественнонаучного цикла ООП для студентов и курсантов очной и заочной форм обучения специальностей 26.05.05 «Судовождение», 26.05.07 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики», 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок» и направлений подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 19.03.03 «Продукты питания животного происхождения». Дисциплина изучается во втором и третьем семестрах.

Дисциплина «Физика» раздел «Механика» является базовой для изучения общеинженерных и профессиональных дисциплин: безопасность жизнедеятельности, механика, материаловедение, метрология, теория и устройство судна, технические средства судовождения, радиосвязь и телекоммуникации, гидрометеорологическое обеспечение судоходства, процессы и аппараты, автоматизированные системы, участия в НИР и выполнения выпускной квалификационной работы.

После изучения дисциплины студенты и курсанты должны:

знать:

© смысл основных физических понятий изучаемых разделов дисциплины;

© содержание и физический смысл фундаментальных законов;

© физический смысл основных единиц физических величин и физических постоянных;

© основное содержание физических принципов функционирования промышленных, технических и экологических объектов;

уметь:

© анализировать физические явления и выделять «управляющие» этими явлениями законы;

© применять математические формы физических законов для решения практических задач;

© находить взаимосвязь и взаимообусловленность физических понятий и законов;

© использовать физические принципы и методы для объяснения природных явлений, искать пути решения технологических проблем;

владеть:

© основными способами и навыками решения практических задач;

© навыками работы с научной и справочной литературой;

© методами проведения физических измерений и корректной оценки погрешностей;

© основными приемами обработки экспериментальных данных.

Курс лекций по дисциплине «Физика» раздел «Механика» содержит ответы на все вопросы тематического плана дисциплины. В конце каждой лекции даются вопросы и задания для самостоятельной работы и самопроверки студентов, а также список использованной и рекомендуемой литературы по данной теме.

ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ. ЗАКОНЫ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

1 История развития термодинамики.

2 Предмет и основные понятия термодинамики и молекулярной физики.

3 Идеальный газ. Термодинамические параметры газа.

4 Уравнение состояния идеального газа.

5 Изопроцессы. Газовые законы.

7 Примеры использования газовых законов.

История развития термодинамики

Зарождение термодинамики как науки связано с именем Г. Галилея (1564-1642), который ввёл понятие температуры и сконструировал первый прибор, реагирующий на изменения температуры окружающей среды – термоскоп (1597).

К. Ренальдини (1615-1698) предложил градуировать термометр по реперным точкам. В 1714 г. Г.Д. Фаренгейт (1686-1736), в 1730 г. Р. Реомюр (1683-1757) и в 1742 г. А. Цельсий (1701-1744) создали температурные шкалы в соответствии с принципом К. Ренальдини. Реперные – это точки, на которых основывается шкала измерений. На реперных точках построена Международная практическая температурная шкала. Реперные точки на шкале Цельсия температура замерзания (0 о С) и кипения воды (100 о С) на уровне моря.

В 1744 г. в результате работ российского физика Г.В. Рихмана (1711-1753) и шотландского ученого Джозефа Блэка (1728-1799) пришли к разделению понятий теплоты и температуры. Для объяснения природы теплоты использовались две теории: по одной теплота связывалась с движением частиц, а по другой рассматривалась специальная материя – теплород.

Дж. Блэк ввёл понятия скрытой теплоты плавления (1757) и теплоемкости (1770). В 1772 г. И. Вильке (1732-1796) ввёл определение калории как количества теплоты, необходимой для нагревания 1 г воды на 1 о С. В 1780 г. А. Лавуазье (1743-1794) и П. Лаплас (1749-1827) сконструировали калориметр и впервые экспериментально определили удельные теплоёмкости ряда веществ.

В 1824 Н. Карно (1796-1832) опубликовал работу, посвящённую исследованию принципов работы тепловых двигателей.

В 1834 г. Б. Клапейрон (1799-1864) ввёл графическое представление термодинамических процессов и развил метод бесконечно малых циклов. В 1842 году Ю. Майер (1814-1878) сформулировал принцип взаимопревращаемости теплового и механического движений, теоретически вычислил термомеханический эквивалент, который в 1843 г. экспериментально определил Дж. Джоуль (1818-1889).

В 1847 г. немецкий ученый, иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1868) Г. Гельмгольц (1821-1894) отметил универсальный характер закона сохранения энергии. Впоследствии Р. Клаузиус (1822-1888) и У. Томсон – лорд Кельвин – (1824-1907) систематически развили теоретический аппарат термодинамики, в основу которого положены первое начало термодинамики и второе начало термодинамики. В 1854 г. развитие второго начала термодинамики привело Р. Клаузиуса к определению энтропии и в 1865 г. к формулировке закона возрастания энтропии. В 1872 г. Л. Больцманом (1844-1906) была дана статистическая интерпретация энтропии. Начиная с работ Дж. Гиббса (1839-1903), предложившего в 1873 г. метод термодинамических потенциалов, развивается теория термодинамического равновесия.

Во 2-й половине XIX в. проводились исследования термодинамики реальных газов. Особую роль сыграли эксперименты Т. Эндрюса (1813-1885), который в 1861 г. впервые обнаружил критическую точку системы жидкость-пар. Её существование на год раньше предсказал Д.И. Менделеев (1834-1907).

К концу XIX в. достигнуты большие успехи в получении низких температур, в результате чего были получены сжиженный кислород, азот, водород, а затем и гелий. Экспериментальные исследования в области низких температур в 1906 г. позволили В. Нернсту (1864-1941) сформулировать третье начало термодинамики.

В 1902 г. Дж. Гиббс опубликовал работу, в которой все основные термодинамические соотношения были получены в рамках статистической физики. В 1931 г. Л. Онсагером (1903-1976) была установлена связь между кинетическими свойствами тела и его термодинамическими характеристиками.

В XX в. интенсивно исследовали термодинамику твёрдых тел, а также квантовых жидкостей и жидких кристаллов, в которых имеют место многообразные фазовые переходы. В 1935-1937 гг. Л.Д. Ландау (1908-1968) развил общую теорию фазовых переходов, основанную на концепции спонтанного нарушения симметрии.

Источник

Чем была вызвана необходимость создания и дальнейшего развития технической термодинамики

Развитие научного знания о теплоте началось вместе с изобретением прибора, способного измерять температуру — термометра. Считается, что первые термометры сделал Галилей в конце 16 века.

Термодинамика возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Первые паровые машины появились во второй половине 18 века и ознаменовали наступление промышленной революции. Учёные и инженеры стали искать способы увеличить их эффективность, и в 1824 году Сади Карно в сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» установил максимальный коэффициент полезного действия тепловых машин. Термодинамика как наука ведёт свое начало с этой работы, которая долгое время оставалась неизвестной современникам.
Николя Леонар Сади Карно

Французский инженер Сади Карно в 1824 году впервые дал теоретическое объяснение работы тепловых машин. В то время еще использовалась теория теплорода и не была установлена единая природа теплоты и работы, как мера энергетического взаимодействия. Однако С. Карно в своей теории тепловой машины были высказаны основные положения второго закона термодинамики [1, 7].

Основное положение теории С. Карно, впоследствии получившее название принципа Карно, состоит в том, что для получения работы в тепловой машине необходимы, по крайней мере, два источника теплоты с разными температурами.

В цикле Карно горячий источник теплоты с Т1=const передает теплоту (процесс 14) рабочему телу, это обратимый процесс, поэтому рабочее тело получает теплоту q1 по изотерме 41. На процессе 12 рабочее тела расширяется по обратимой адиабате от Т1 до Т2. В обратимом процессе 23 рабочее тело передает теплоту q2 холодному источнику по изотерме Т2=const (для горячего источника это процесс 23). На процессе 34 рабочее тело сжимается по обратимой адиабате от Т2 до Т1.

Цикл Карно

КПД тепловой машины Карно

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно.

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдаёт холодильнику.

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен:.В 40-х годах 19 века Майер и Джоуль количественно определили связь между механической работой и теплотой и сформулировали универсальный закон сохранения и превращения энергии. В 50-е годы Клаузиус и Кельвин систематизировали накопленные к тому времени знания и ввели понятия энтропии и абсолютной температуры.

Джеймс Прескотт Джоуль

Юлиус Роберт фон Майер

В конце 19 века феноменологическая термодинамика была развита в работах Гиббса, который создал метод термодинамических потенциалов, исследовал общие условия термодинамического равновесия, установил законы равновесия фаз и капиллярных явлений
Джозайя Уиллард Гиббс

В 1906 году Нернст опубликовал работу, в которой была сформулирована теорема, впоследствии получившая его имя и известная как третье начало термодинамики.
Вальтер Герман Нернст

Аксиоматические основы термодинамики были в строгой форме впервые сформулированы в трудах Каратеодори в 1909 году

Каратеодори, Константин

Особенно важное значение для развития термодинамики имеют проведенные в первой половине XIX в. Определение коэффициента объемного расширения Гей-Люссаком приводит к открытию закона равномерного расширения газов. Эти температурные эффекты, как затем показали Лаплас и Пуассон, дают решение старой проблемы о правильном вычислении скорости звука. Развивая представления о физических явлениях при распространении звука, Пуассон в 1823 г. строит законченную математическую теорию так называемых адиабатических процессов ( процессов, происходящих без теплообмена с окружающей средой) в газах.

Очень большое значение для развития термодинамики имели работы Сади Карно, Рудольфа Клаузиуса и Вальтера Нернста. В 1824 г. Карно опубликовал работу о наивысшем теоретически достижимом коэффициенте полезного действия паровой машины и установил, что тепловая энергия может превращаться в работу только при переходе тепла от более горячего тела к более холодному.

Чрезвычайно важную роль в развитии термодинамики сыграли появившиеся в конце XIX в. Гиббса, в которых построен общий метод термодинамических потенциалов, исследованы условия термодинамического равновесия ( в том числе и для химически реагирующих смесей), развита теория фаз и поверхностных явлений.

Огромный вклад в развитие термодинамики внесли русские ученые Г. И. Гесс, Н. Н. Шиллер, Т. А. Афанасьева-Эренфест и другие.

Описание цикла Карно

Рис. 1. Цикл Карно в координатах T—S

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой , холодильника с температурой и рабочего тела.

Цикл Карно состоит) из четырёх обратимых стадий, две из которых осуществляются при постоянной температуре (изотермически, а две — при постоянной энтропии (адиабатически). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T (температура) и S (энтропия).

1. Изотермическое расширение (на рис. 1 — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты . При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.

2. Адиабатическое расширение (на рис. 1 — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника , тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.

3. Изотермическое сжатие (на рис. 1 — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее температуру , приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты . Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.

4. Адиабатическое сжатие (на рис. 1 — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

Источник