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.
Статья: Ученые термодинамики
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.
