Теплофизика
Теплофизика - совокупность дисциплин, которые представляют собой теоретические основы энергетики, включающие тепломассообмен, термодинамику, методы экспериментального и теоретического исследования равновесных и неравновесных свойств веществ и тепловых процессов.
Тепломассообмен - дисциплина, которая изучает закономерности процессов теплообмена, которые сопровождаются переносом вещества (массообмен).
Теплофизика представляет собой изучение статистической природы физических систем с энергетической точки зрения. Теплофизика анализирует первый и второй закон термодинамики со статистической точки зрения, с точки зрения количества микросостояний, которые соответствуют данному микросостоянию. Центральная точка тема теплофизики - каноническое распределение вероятностей. Изучается электромагнитная природа фононов и фотонов, показывающих, что колебания кристаллических решеток и электромагнитных полей имеют много общего. К другим темам, которые изучаются в теплофизике, относятся:
Статья: История развития теплофизики
- Химический потенциал.
- Конденсация Бозе-Эйнштейна.
- Свободная энергия Гиббса.
- Свободная энергия Гельмгольца.
- Химическое равновесие.
- Фазовое равновесие.
- Теорема о равнораспределении.
- Квантовая природа идеального газа.
- Проводимость и вязкость.
- Энтропия при абсолютном нуле.
История развития теплофизики в 19 веке
К концу 18 века тепло активно использовалось в промышленности. В 1705 году Ньюкмен создал простейший пароатмосферный двигатель. В 1763 году Уатт занялся усовершенствованием изобретения, закончив работу в 1774 году, а в 1784 году им была разработана универсальная паровая машина с непрерывным вращением. Но при этом физики, к концу 18 века, ненамного продвинулись в понимании природы теплоты. Теория Бернулли и Ломоносова была забыта, а исследования в области теплофизики сводились к определению термических коэффициентов расширения твердых тел и изучению свойств газов. В начале 19 века появились первые доказательства связи теплоты с механическим движением. Сторонники теории теплорода усматривали в выделении тепла нечто аналогичное электризации тел. Более глубоко осмыслить данное явление решил Томпсон. В 1798 году, наблюдая высверливание каналов в пушках, он отметил, что выделяется большое количество тепла. В результате опытов, Томпсон пришел к выводу, что теплота не могла быть получена за счет «выжимания» теплорода из металла. Он пришел к выводу, что теплота представляет собой форму движения. Опыты по получению теплоты трением повторил Дэви - он плавил лед трением двух кусков льда друг о друга, в результате чего пришел к выводу, что теплоту необходимо рассматривать, как колебательное движение частиц материи.
Начало 19 века ознаменовалось открытием законов постоянства составов и кратных отношений. Закон постоянства был сформулирован ученым из Франции Прустом в 1801 году, а закон кратных отношений Дальтоном в 1803 году. В 1811 году Авогадро расширил атомистическое представление, предложив гипотезу строения вещества. Он считал, что молекула самая маленькая частица, сохраняющая свойства вещества, которая состоит из атомов - самых маленьких частиц. В 1819 году физики Пти и Дюлонг эмпирически установили, что произведение атомного веса и удельной теплоемкости для простых веществ практически является постоянной величиной. Молярная масса простого вещества пропорциональна его атомному весу, поэтому теория Пти и Дюлонга означала, что теплоемкость всех простых веществ в твердом состоянии одинакова. Ученые не могли дать исчерпывающего объяснения данному факту и указать границы применимости открытой закономерности. В обстановке эмпиризма, только два исследования теоретического характера, которые были выполнены в начале 19 века, стоят особняком. Математик Фурье изучал вопрос передачи тепла. В его «Аналитической теории тепла» от 1822 года, содержалась математическая теория теплопроводности. Ученый установил, что поток тепла через поперечное сечение стержня пропорционален не просто разности температур, а градиенту температуры. Согласно Фурье, количество теплоты может быть рассчитано следующим образом:
$Q=kSt(dt/dx)$
где S - площадь поверхности, через которое протекает тепло; t - время; k - коэффициент теплопроводности, зависящий от свойств среды; dT/dx - градиент температуры в одномерном случае.
