История становления и развития термодинамики как науки

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 

Физико-технологический факультет

Кафедра «Материаловедение  и товарная экспертиза»

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине:

 « История науки и техники»

на тему:

История становления  и развития термодинамики как  науки

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 3-Фт-9     Проверил: доцент

_________ Калинина В.Ю.                                      _________ Тигранова

     ^{(подпись)                      (подпись)}

«___»__________20__г.     «___»__________20__г.

 

      

 

 

 

 

Самара 2011г

 

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………….3

Раздел 1. Становление термодинамики………………………………………………………...4

Раздел 2. Развитие термодинамики.

 Формирование представлений о превращении энергии……………………………………...5

2.1.  Первый закон термодинамики……………………………………………………..7

2.2. Второй закон термодинамики………………………………………………………8

2.3. Третий закон термодинамики……………………………………………………..10

Заключение……………………………………………………………………………………...12

Определения и обозначения…………………………………………………………………...14

Именной указатель……………………………………………………………………………..16

Приложения……………………………………………………………………………………..17

Основные формулы термодинамики………………………………………………………….19

Список использованных источников…………………………………………………………21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Современная термодинамика  занимает особое место в естествознании, в частности является теоретической  основой всей современной энергетики.

 Теплоэнергетика, все  типы двигателей, начиная от паровых  турбин и кончая авиационными  и ракетными двигателями, в  своей теории полностью базируются  на положениях термодинамики.  Многие области деятельности  человека опираются на положения  термодинамики. Термодинамика возникла  и стала быстро развиваться  благодаря бурному развитию теплотехники  в конце ХVIII и начале XIX веков.  Исторически термодинамика возникла  в результате требований, предъявляемых  к физике со стороны теплотехники  в связи с практической необходимостью  найти теоретические основы для  создания тепловых машин, в  частности тепловых двигателей, определения путей повышения  их мощности и экономичности.

Термодинамика представляет собой единое, логически построенное  учение, базирующееся на основных принципах, которые принято называть началами или законами термодинамики. Эти  законы представляют собой эмпирически  найденные положения, которые не выводятся из других законов.

Термодинамика является научным  фундаментом, основой, на которой строится современная инженерная теория тепловых двигателей, в том числе авиационных  двигателей, ракетных двигателей и  энергетических систем. Современные  тепловые расчеты всех двигателей целиком  основываются на положениях технической  термодинамики и дают возможность  определить основные параметры и  экономичность различных типов  тепловых двигателей.

 В связи с определяющей  ролью энергетики в развитии  народного хозяйства нашей страны  в настоящее время термодинамическая  наука становится одной из  важнейших производительных сил,  это требует ее непрерывного  развития, совершенствования, уточнения  ее методов, изыскания новых  путей повышения интенсивности  и экономичности двигателей и  энергетических установок. 

Раздел 1. Становление термодинамики

В XVIII веке считалось, что  одно тело теплее другого потому, что  содержит больше теплорода – невесомого вещества, создающего ощущение тепла. Считалось также, что теплород нельзя ни создать, ни уничтожить – он только переходит от одних тел к другим, вызывая охлаждение первых и нагревание вторых. Однако в 1798 г. министр внутренних дел Баварии, граф Б.Румфорд проделал опыт, оставивший теорию теплорода лишь в пыли библиотек.

В те времена пушки изготавливали  так. Из расплавленного металла отливали пушечные стволы, не оставляя внутри них  канала для ядер. Его высверливали позже – при помощи огромных сверлильных  станков, приводившихся в движение лошадьми. Румфорд заметил, что во время сверления стволы очень  сильно нагревались. Он предположил, что  причина нагревания – трение сверла о пушечный ствол, то есть совершение механической работы.

Для проверки этой гипотезы (предположения) ствол был помещен  в бочку с водой, а для увеличения силы трения использовалось тупое сверло, приводимое во вращение парой лошадей  мюнхенского цейхгауза. Спустя два  с половиной часа, к величайшему  изумлению свидетелей этого грандиозного опыта, вода в бочке закипела! ( см. прил. А.1)

Из опыта следовало  два вывода: либо теплород можно "изготавливать" в неограниченных количествах (и  это приведет к переделке всей теории теплорода), либо нагревание тел  объясняется совсем иными причинами, а теплорода не существует вообще.

Опыт Румфорда показал, что  при совершении работы силой трения всегда возникает некоторое количество теплоты. Поскольку в то время  и работу, и количество теплоты  уже умели измерять, то возникали  несколько вопросов. Первый. Если совершать  по 1 Дж работы над различными веществами (например, сталью, медью, водой и  т.д.) одинаковое ли количество теплоты  выделяется при этом? Второй вопрос. Если одинаковое – то сколько именно? Если же разное, то от каких причин это  зависит? Были и другие вопросы. Поэтому  для дальнейшего развития теории тепловых явлений потребовались  новые экспериментальные данные.

Спустя полвека на арену  научной деятельности выходит соотечественник  Румфорда, манчестерский пивовар  Д.Джоуль. Его экспериментальной  установкой стал калориметр с погруженной  в него мешалкой, которая приводилась  во вращение опускавшейся гирей (см. прил. А.2). Трение лопастей мешалки о воду или ртуть, которыми заполнялся калориметр, приводило к их нагреванию.

Сила тяжести, опускавшая гирю, совершала над ней работу A = Fтl = mgh. Возникавшее при трении количество теплоты подсчитывали по основной калориметрической формуле: Q=cmDt. Опыт повторяли при различных  условиях: изменяли количество воды, заменяли ее ртутью, меняли массу гири, высоту ее поднятия, диаметр валика, с которого сматывалась нить и т. д.

Заметим, что в XIX веке и  работу, и количество теплоты измеряли не "джоулями", как сегодня, а  другими единицами. Несмотря на это, вывод Джоуля остается справедливым: при различных явлениях, в которых  совершается работа и выделяется теплота, совершение 1 Дж работы всегда приводит к возникновению 1 Дж теплоты. Этот фундаментальный вывод лег  в основу термодинамики – новой  теории тепловых явлений. С тех пор  она существенно расширилась  и превратилась в теорию о превращениях работы, теплоты и энергии вообще – химической, электрической, ядерной  и т.д. В таком виде термодинамика  существует и по сей день.

Раздел 2. Развитие термодинамики. Формирование представлений о превращении энергии

До возникновения термодинамики  понятие времени по существу отсутствовало  в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается  в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие  во времени и имеющих свою историю. Хотя в качестве переменной время  входит во все уравнения классической и квантовой механики, тем не менее, оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его  знак можно менять на обратный, т.е. относить его как будущему, так  и к прошлому.

Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних  сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена  была исследовать физические процессы при различных преобразованиях  тепловой энергии. Однако она не анализирует  внутреннее строение термодинамических  систем, как это делает статистическая физика, рассматривающая теплоту  как беспорядочное движение огромного  числа молекул.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих  явления передачи, распространения  и превращения тепла. Самым очевидным  является тот факт, что распространение  тепла представляет собой необратимый  процесс. Хорошо известно, например, что  тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в  энергию и потом использовать для производства работы. Не менее  известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот [1, 14].

Термодинамика рассматривает  системы, между которыми возможен обмен  энергией, без учета микроскопического  строения тел, составляющих систему, и  характеристик отдельных частиц. Различают термодинамику равновесных  систем или систем, переходящих к  равновесию (классическая, или равновесная  термодинамика) и неравновесных  систем (неравновесная термодинамика). Классическая термодинамика чаще всего  называется просто термодинамикой и  именно она составляет основу так  называемой Термодинамической Картины  Мира (ТКМ), которая сформировалась к середине 19 в. Неравновесная термодинамика  получила развитие во второй половине 20-го века и играет особую роль при  рассмотрении биологических систем и феномена жизни в целом.

Таким образом, при исследовании тепловых явлений выделились два  научных направления:

1. Термодинамика, изучающая  тепловые процессы без учета  молекулярного строения вещества;

2. Молекулярно-кинетическая  теория (развитие кинетической теории  вещества в противовес теории  теплорода) [1, 19].

В 18 в. были изобретены паровые  насосы, а затем паровые машины. В начале 19 века появились пароходы, началось строительство железных дорог. Широкое применение пара выдвинуло  на первый план исследования тепловых явлений, поиск путей повышения  эффективности паровых машин. Возникла и стала быстро развиваться термодинамика. Процесс ее развития был фактически процессом интеграции знаний. Если в начале века только что родившаяся термодинамика выступала как  механическая теория теплоты, то на склоне века она представляла собой весьма общую теорию, выходящую собственно за рамки тепловых явлений, прикладываемую ко всем физическим и химическим процессам, происходящим в веществе, в различных  системах. Важным достижением на пути этого процесса интеграции знаний было открытие фундаментального закона природы - закона сохранения и превращения энергии.

Основатель термодинамики  С. Карно в своем труде "Размышления  о движущей силе огня и о машинах, способах развивать эту силу" пишет: "Тепло - это не что иное, как движущая сила, или вернее движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тел. Таким образом, можно высказать  общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве, она никогда не создается, никогда  не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызывает то один род движения, то другой ..." Чтобы  усмотреть здесь закон сохранения и превращения энергии - достаточно вместо "движущей силы" поставить "энергию" (термин "энергия" был введен еще Юнгом в 1807 г., но прижился не сразу; под "энергией" Юнг понимал произведение массы  тела на квадрат его скорости).

Открытие закона сохранения и превращения энергии обычно связывают с именами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца. Второе начало термодинамики как некоторое  эмпирическое правило было впервые  сформулировано в 1850 г. Р. Клаузиусом и  в 1851 У.Томсоном (Клаузиус ввел понятия  внутренней энергии, а также величины, названной "энтропией") [1, 23]. 

2.1.  Первый закон термодинамики

На рис. 1( см. прил. Б) условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами.

Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону  термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную  работу над окружающими телами.

Если система обменивается теплом с окружающими телами и  совершает работу (положительную  или отрицательную), то изменяется состояние  системы, то есть изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем).

Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими  параметрами, характеризующими состояние  системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

Первый закон термодинамики  является обобщением закона сохранения и превращения энергии для  термодинамической системы. Он формулируется  следующим образом:

Изменение ΔU внутренней энергии  неизолированной термодинамической  системы равно разности между  количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами

 

ΔU = Q – A (см. таблицу 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Второй закон термодинамики

На современном научном  языке второе начало термодинамики  звучит так: В необратимых процессах  полная энтропия системы всегда возрастает. Клаузиус и Томсон пришли к фундаментальному выводу, относящемуся к Вселенной  в целом. В действительности обратимых  процессов не бывает. Любое механическое движение происходит с хотя бы с  малой долей превращения механической энергии в тепловую - выделяемую при трении. Рано или поздно все  движущиеся тела остановятся, наступит равновесие, отвечающее максимальной энтропии. Томсон заключил, что "миру грозит тепловая смерть". И в то же время "энергия мира остается неизменной". Второй закон термодинамики  называют законом возрастания энтропии.