История и развитие термодинамики

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.

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.