Стремительное развитие научного знания о тепловых эффектах началось вместе с изобретением прибора, которые может измерять температуру — термометра. Считается, что первые термометры были сконструированы Галилеем еще в конце 16 столетия.
Рисунок 1. Термоскоп Галилея. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Термодинамика возникла как комплексная эмпирическая наука, изучающая методы преобразования внутренней энергии материальных тел для совершения налаженной механической работы.
Первые паровые машины были представлены во второй половине 18 века и ознаменовали официальное наступление промышленной революции. Инженеры и ученые начали искать методы увеличения эффективности использования термодинамических постулатов, и в 1824 году Сади Карно в известном сочинении «О движущей и могучей силе огня и о машинах, способных развивать эту мощь» установил и описал максимальный коэффициент полезного функционала тепловых машин. Термодинамика как полноценная наука ведёт свое начало именно с этой работы, которая в течение длительного периода времени оставалась неизвестной современникам.
Исследования Анри Виктора Реньо
Правительство Франции сочло в те времена необходимым субсидировать научную работу Анри Виктора Реньо (1810—1878), предпринятую «с целью установить количественные данные, важные в гипотезе паровой машины». Известно, что лаборатория выдающегося физика находилась в небольшом здании, построенном лично им в саду College de France.
Научный центр был достаточно хорошо снабжен для термодинамических экспериментов (различные газометры, мощные манометры в 20 м длиной, точные барометры и термометры, прибор для калориметрических измерений и так далее). Исследования, которые здесь проводились, были направлены на определение скрытой теплоты жидкостей при переходах из стабильного парообразного состояния в жидкое.
Способы тепловых измерений, предложенные Реньо, переносились в другие учебные лаборатории университетов, и еще в XX столетии почти все физические практикумы высших учебных заведений по теплоте создавались «по Реньо». Исследования и опыты этого изобретателя начали официально публиковаться только в конце 30-х годов прошлого века. В 1847 году одно тематическое издание разместило на своих страницах первый том Анри «Сообщений об экспериментах предприятий по распоряжению представителей общественных работ». Лаборатория Реньо вместе с его последними научными работами была уничтожена немцами при взятии Парижа в марте 1870 года.
Реньо был одним из самых ярких представителем экспериментального течения в физике, но сам не ввел в науку новых идей, если не считать того скептицизма, с которым исследователь относился к неоправданным обобщениям фактов и обличал погрешность положений, принимавшихся до тех пор за основные законы термодинамики.
Цикл Карно
Рисунок 2. Цикл Карно. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Французский изобретатель Сади Карно в 1824 году впервые представил общественности теоретическое и комплексное объяснение работы тепловых машин. В то время еще часто применялась теория теплорода и не была определена единая природа тепловых процессов, как основная мера энергетического взаимодействия. Однако Карно в своей гипотезе тепловой машины описал ключевые положения второго термодинамического закона.
Центральный постулат ученого, вскоре получивший название принципа Карно, заключается в том, что для получения нормальной работы в тепловой машине необходимы два источника теплоты с различными температурами.
Цикл Карно состоит из четырёх важных обратимых стадий, две из которых осуществляются только при постоянной температуре, а две других при постоянной энтропии:
- изотермическое расширение;
- адиабатическое расширение;
- изотермическое сжатие;
- адиабатическое сжатие.
Цикл Карно удобно и правильно будет представить в координатах $T$ (температура) и $S$ (энтропия). Физик также предложил идеальный метод для функционирования тепловой машины, где применяются два источника теплоты с постоянными показателями: с высокой температурой - горячий источник и с максимально низкой температурой - холодный источник.
Поскольку цикл практически идеальный, то он состоит из обратимых физических процессов теплообмена между материальным телом и тепловым коэффициентом. Графическое изображение цикла Карно в диаграммах используется в качестве рабочего элемента идеального газа.
В цикле Карно горячий источник теплоты с $T_1=const$ систематически передает:
- теплоту физическому телу;
- равномерно распределяет все элементы в системе;
- отдает теплоту активному веществу по изотерме.
Дальнейшее развитие термодинамики
В дальнейшем становлении термодинамики было много новых открытий, которые повлекли за собой и проблемы в правильном описании физических процессов. Майер и Джоуль количественно установили взаимосвязь механической работы с теплотой, сформулировав универсальный закон превращения и сохранения энергии.
Важное значение для развития современной термодинамики имеют проведенные в первой половине XIX столетия исследования Гей-Люссака, направленные на определение коэффициента объемного расширения.
Это привело к открытию закона равномерного расширения идеальных газов. Такие температурные эффекты, как затем продемонстрировали опыты Лапласа и Пуассона, дают правильное решение старой проблемы о вычислении скорости светового звука. Развивая идеи о физических явлениях при распространении сверхскоростного звука, Пуассон в 1823 году вывел законченную математическую гипотезу так называемых адиабатических процессов, происходящих в системах без теплообмена с окружающей средой.
Значимую роль для развития термодинамических методов имели научные работы Сади Карно, Вальтера Нернста и Рудольфа Клаузиус. В 1824 г. Нернст опубликовал результаты эксперимента, согласно которому определялся наивысший достижимый коэффициент полезного действия паровой машины. В результате стало понятно, что тепловая энергия легко может превращаться в работу только при постепенном переходе тепла от более горячего элемента к более холодному.
Чрезвычайно важное и ключевое значение в становлении термодинамики сыграли возникшие в конце XIX столетия опыты Гиббса, в которых построен комплексный метод термодинамических потенциалов, изучены условия абсолютного равновесия, а также развита теория нестабильных явлений и фаз.
Важный вклад в развитие термодинамического учения внесли яркие представители немецкой школы Майер, Гельмгольц, Клаузиус, а также их американские коллеги - Джоуль, Томсон и другие. Они смогли систематизировать полученные знания о теплоте, и уточнили ряд закономерностей и положений.
