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
Статья: История и развитие термодинамики
Термодинамика - обширная наука о тепловых явлениях, в которых никогда не учитывается молекулярное строение рабочих тел.
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.
Состояние любой макросистемы изначально задается термодинамическими показателями, характеризующими ее основные свойства.
Обычно ключевыми критериями в термодинамике выступают:
- температура физического тела;
- давление со стороны внешней среды;
- удельный объем.
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:
- Первый период. Этот этап в становлении термодинамики напрямую связан с именем Карно, который в 1824 году в работе "Размышления о движущей и нестабильной силе огня" по существу сформулировал первое и второе термодинамические начала.
- Второй период приблизительно продолжился до середины XIX столетия и выделяется научными трудами выдающихся физиков Европы таких, как англичанин Дж. Джоуль, немецкий исследователь Готлиб, известный под псевдонимом Р. Клаузиус и У. Томсон. Этих же идей и теорий в конце XVIII веке придерживался русский исследователь М.В. Ломоносов.
- Третье поколение термодинамики открывает известный австрийский ученый и член Санкт-Петербургской Академии Наук Людвиг Больцман, которые с помощью многочисленных экспериментов установили взаимосвязь механической и тепловой формы движения, доказав, что в основе теплоты в первую очередь лежит механическое движение молекул и атомов.
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.
Исследованием законом сохранения и эквивалентности теплоты занимались такие физики как Майер, Джоуль, Ленц. Майер, которые установили, что пришли коэффициенты теплоты и работы системы функционируют независимо друг от друга. Когда было признано, что теплота представляет собой систематическое движение, науке нужно было тщательно рассмотреть характер этого явления. В ходе решения поставленной проблемы начала стремительно развиваться кинетическая теория идеальных газов, далее эта гипотеза превратилась в новую сферу физической науки - статистическую физику.
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.
Тепловая смерть Вселенной
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:
- во-первых, нельзя считать справедливым мнение о том, что Вселенная представляет собой только изолированную систему;
- во-вторых, второе термодинамическое начало вследствие своего статистического характера возможно применить только к большому количеству однородных объектов, поэтому энтропия может уменьшаться в нескольких молекулах;
- в-третьих, законы термодинамики и их статистическая интерпретация, разработано для молекул, а Вселенная представляет собой другие тела - звезды, планеты, звездные скопления, галактики, следовательно, переносить закономерности мира молекул на иные объекты, составляющие Вселенную, совершенно необоснованным.
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.
