Реферат история развития термодинамики

Обновлено: 28.06.2024

Содержание

Введение………………………………….………..…………………3 стр.
1 Первое начало термодинамики……………………….…………..5 стр.
2 Второе начало термодинамики……………………. …………..15 стр.
3 Третье начало термодинамики…………………………………..18 стр.
4 Нулевое начало термодинамики…………………. ……………21 стр.
Заключение……………………………………………. ………….22 стр.
Список использованных источников……………………………..23 стр.

Работа содержит 1 файл

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Институт переподготовки и повышения квалификации

по дисциплине: История физики..

Тема: История развития законов термодинамики.

Выполнил: ст. гр. ТКС-09

1 Первое начало термодинамики……… ……………….…………..5 стр.

2 Второе начало термодинамики……… ……………. …………..15 стр.

3 Третье начало термодинамики……… …………………………..18 стр.

4 Нулевое начало термодинамики…… ……………. ……………21 стр.

Список использованных источников……………………………..23 стр.

1 Первое начало термодинамики

Так, отправляясь от конкретной задачи, подсказанной практикой, Карно формулирует абстрактный, общий метод ее решения- термодинамический метод.

Сочинение Карно явилось началом термодинамики. Карно ввел в термодинамику метод циклов. Цикл Карно описывается сегодня во всех учебниках физики. В них он сопровождается диаграммой процесса и расчетами для идеального газа, которых нет у Карно. Диаграммы и расчеты были даны в 1834 г. Клапейроном, который повторил работу Карно.

В наше время этот вывод Карно формулируется иначе: коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины не зависит от рабочего вещества, а зависит лишь от температуры нагревателя и холодильника.

Таким образом, уже к 30-м годам ХХ в. настало время для возвращения к идеям Ломоносова относительно теплоты. К сожалению, имя Ломоносова к тому времени на Западе было основательно забыто, и основоположники механической теории теплоты создатели ее заново.

Успехи экспериментальной теплофизики, и, прежде всего калориметрии, казалось, свидетельствовали в пользу теплорода. Но тот же ХIХ в. принес наглядные доказательства связи теплоты с механическим движением. Конечно, факт выделения тепла при трении был известен с незапамятных времен. Сторонники теплоты усматривали в этом явлении нечто аналогичное электризации тел трением – трение способствует выжиманию теплорода из тела. Однако в 1798 г. Бенжамен Томпсон (1753-1814), ставший с 1790 г. графом Румфордом, сделал в мюнхенских военных мастерских важное наблюдение: при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла, чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура поднялась на 70 градусов Фаренгейта. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой. В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Этот опыт Румфорд считал доказательством того, что теплота является формой движения.

Термодина́мика — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. Термодинамика — это феноменологическая наука, опирающаяся на обобщения опытных фактов. Она изучает макроскопические системы, состоящие из огромного числа частиц —термодинамические системы. Процессы, происходящие в таких системах, описываются макроскопическими величинами, такими как давление или температура, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

Люди способны непосредственно ощущать холод и тепло, и интуитивное представление о температуре как степени нагретости тел возникло задолго до того, как возникли соответствующие научные понятия. Развитие научного знания о теплоте началось вместе с изобретением прибора, способного измерять температуру — термометра. Считается, что первые термометры сделал Галилей в конце 16 века.

В 40-х годах 19 века Майер и Джоуль количественно определили связь между механической работой и теплотой и сформулировали универсальный закон сохранения и превращения энергии. В 50-е годы Клаузиус и Кельвин систематизировали накопленные к тому времени знания и ввели понятия энтропии и абсолютной температуры.В конце 19 века феноменологическая термодинамика была развита в работах Гиббса, который создал метод термодинамических потенциалов, исследовал общие условия термодинамического равновесия, установил законы равновесия фаз и капиллярных явлений.В 1906 году Нернст опубликовал работу, в которой была сформулирована теорема, впоследствии получившая его имя и известная как третье начало термодинамики.Аксиоматические основы термодинамики были в строгой форме впервые сформулированы в трудах Каратеодори в 1909 году.

Современную феноменологическую термодинамику принято делить на равновесную (или классическую) термодинамику, изучающую равновесные термодинамические системы и процессы в таких системах, и неравновесную термодинамику, изучающую неравновесные процессы в системах, в которых отклонение от термодинамического равновесия относительно невелико и ещё допускает термодинамическое описание.

В равновесной термодинамике вводятся такие переменные, как внутренняя энергия, температура, энтропия, химический потенциал. Все они носят название термодинамических параметров (величин). Классическая термодинамика изучает связи термодинамических параметров между собой и с физическими величинами, вводимыми в рассмотрение в других разделах физики, например, с гравитационным или электромагнитным полем, действующим на систему. Химические реакции и фазовые переходы также входят в предмет изучения классической термодинамики. Однако изучение термодинамических систем, в которых существенную роль играют химические превращения, составляет предмет химической термодинамики, а техническими приложениями занимается теплотехника.

Классическая термодинамика включает в себя следующие разделы:

начала термодинамики (иногда также называемые законами или аксиомами)
уравнения состояния и свойства простых термодинамических систем (идеальный газ, реальный газ, диэлектрики и магнетики и т. д.)
равновесные процессы с простыми системами, термодинамические циклы
неравновесные процессы и закон неубывания энтропии и фазовые переходы

Кроме этого, современная термодинамика включает также следующие направления:

Современная физика является многопрофильной наукой, охватывающей чрезвычайно большое число различных по содержанию научных направлений, представляющих фундамент естественных и технических дисциплин.

К другимважным целям изучения дисциплины относятся:

Задачи курса:

После изучения дисциплины студенты и курсанты должны:

знать:

уметь:

владеть:

ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ. ЗАКОНЫ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

1 История развития термодинамики.

2 Предмет и основные понятия термодинамики и молекулярной физики.

3 Идеальный газ. Термодинамические параметры газа.

4 Уравнение состояния идеального газа.

5 Изопроцессы. Газовые законы.

6 Закон Дальтона.

7 Примеры использования газовых законов.

История развития термодинамики

Зарождение термодинамики как науки связано с именем Г. Галилея (1564-1642), который ввёл понятие температуры и сконструировал первый прибор, реагирующий на изменения температуры окружающей среды – термоскоп (1597).

К. Ренальдини (1615-1698) предложил градуировать термометр по реперным точкам. В 1714 г. Г.Д. Фаренгейт (1686-1736), в 1730 г. Р. Реомюр (1683-1757) и в 1742 г. А. Цельсий (1701-1744) создали температурные шкалы в соответствии с принципом К. Ренальдини. Реперные – это точки, на которых основывается шкала измерений. На реперных точках построена Международная практическая температурная шкала. Реперные точки на шкале Цельсия температура замерзания (0 о С) и кипения воды (100 о С) на уровне моря.

Дж. Блэк ввёл понятия скрытой теплоты плавления (1757) и теплоемкости (1770). В 1772 г. И. Вильке (1732-1796) ввёл определение калории как количества теплоты, необходимой для нагревания 1 г воды на 1 о С. В 1780 г. А. Лавуазье (1743-1794) и П. Лаплас (1749-1827) сконструировали калориметр и впервые экспериментально определили удельные теплоёмкости ряда веществ.

В 1824 Н. Карно (1796-1832) опубликовал работу, посвящённую исследованию принципов работы тепловых двигателей.

В 1847 г. немецкий ученый, иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1868) Г. Гельмгольц (1821-1894) отметил универсальный характер закона сохранения энергии. Впоследствии Р. Клаузиус (1822-1888) и У. Томсон – лорд Кельвин – (1824-1907) систематически развили теоретический аппарат термодинамики, в основу которого положены первое начало термодинамики и второе начало термодинамики. В 1854 г. развитие второго начала термодинамики привело Р. Клаузиуса к определению энтропии и в 1865 г. к формулировке закона возрастания энтропии. В 1872 г. Л. Больцманом (1844-1906) была дана статистическая интерпретация энтропии. Начиная с работ Дж. Гиббса (1839-1903), предложившего в 1873 г. метод термодинамических потенциалов, развивается теория термодинамического равновесия.

Во 2-й половине XIX в. проводились исследования термодинамики реальных газов. Особую роль сыграли эксперименты Т. Эндрюса (1813-1885), который в 1861 г. впервые обнаружил критическую точку системы жидкость-пар. Её существование на год раньше предсказал Д.И. Менделеев (1834-1907).

К концу XIX в. достигнуты большие успехи в получении низких температур, в результате чего были получены сжиженный кислород, азот, водород, а затем и гелий. Экспериментальные исследования в области низких температур в 1906 г. позволили В. Нернсту (1864-1941) сформулировать третье начало термодинамики.

В 1902 г. Дж. Гиббс опубликовал работу, в которой все основные термодинамические соотношения были получены в рамках статистической физики. В 1931 г. Л. Онсагером (1903-1976) была установлена связь между кинетическими свойствами тела и его термодинамическими характеристиками.

Термодинамика представляет собой единое, логически построенное учение, базирующееся на основных принципах, которые принято называть началами или законами термодинамики. Эти законы представляют собой эмпирически найденные положения, которые не выводятся из других законов.

Файлы: 1 файл

ИСТОРИЯ НАУКИ И ТЕХН.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

История становления и развития термодинамики как науки

Выполнил: студент 3-Фт-9 Проверил: доцент

_________ Калинина В.Ю. _________ Тигранова

Раздел 1. Становление термодинамики…………… …………………………………………. 4

Раздел 2. Развитие термодинамики.

Формирование представлений о превращении энергии……………………………………. 5

2.1. Первый закон термодинамики………… …………………………………………..7

2.2. Второй закон термодинамики………… ……………………………………………8

2.3. Третий закон термодинамики………… …………………………………………..10

Определения и обозначения…………………………………………… ……………………. 14

Основные формулы термодинамики…………………………………………… …………….19

Список использованных источников…………………………………………………… ……21

Современная термодинамика занимает особое место в естествознании, в частности является теоретической основой всей современной энергетики.

Теплоэнергетика, все типы двигателей, начиная от паровых турбин и кончая авиационными и ракетными двигателями, в своей теории полностью базируются на положениях термодинамики. Многие области деятельности человека опираются на положения термодинамики. Термодинамика возникла и стала быстро развиваться благодаря бурному развитию теплотехники в конце ХVIII и начале XIX веков. Исторически термодинамика возникла в результате требований, предъявляемых к физике со стороны теплотехники в связи с практической необходимостью найти теоретические основы для создания тепловых машин, в частности тепловых двигателей, определения путей повышения их мощности и экономичности.

Термодинамика является научным фундаментом, основой, на которой строится современная инженерная теория тепловых двигателей, в том числе авиационных двигателей, ракетных двигателей и энергетических систем. Современные тепловые расчеты всех двигателей целиком основываются на положениях технической термодинамики и дают возможность определить основные параметры и экономичность различных типов тепловых двигателей.

В связи с определяющей ролью энергетики в развитии народного хозяйства нашей страны в настоящее время термодинамическая наука становится одной из важнейших производительных сил, это требует ее непрерывного развития, совершенствования, уточнения ее методов, изыскания новых путей повышения интенсивности и экономичности двигателей и энергетических установок.

Раздел 1. Становление термодинамики

В XVIII веке считалось, что одно тело теплее другого потому, что содержит больше теплорода – невесомого вещества, создающего ощущение тепла. Считалось также, что теплород нельзя ни создать, ни уничтожить – он только переходит от одних тел к другим, вызывая охлаждение первых и нагревание вторых. Однако в 1798 г. министр внутренних дел Баварии, граф Б.Румфорд проделал опыт, оставивший теорию теплорода лишь в пыли библиотек.

В те времена пушки изготавливали так. Из расплавленного металла отливали пушечные стволы, не оставляя внутри них канала для ядер. Его высверливали позже – при помощи огромных сверлильных станков, приводившихся в движение лошадьми. Румфорд заметил, что во время сверления стволы очень сильно нагревались. Он предположил, что причина нагревания – трение сверла о пушечный ствол, то есть совершение механической работы.

Для проверки этой гипотезы (предположения) ствол был помещен в бочку с водой, а для увеличения силы трения использовалось тупое сверло, приводимое во вращение парой лошадей мюнхенского цейхгауза. Спустя два с половиной часа, к величайшему изумлению свидетелей этого грандиозного опыта, вода в бочке закипела! ( см. прил. А.1)

Из опыта следовало два вывода: либо теплород можно "изготавливать" в неограниченных количествах (и это приведет к переделке всей теории теплорода), либо нагревание тел объясняется совсем иными причинами, а теплорода не существует вообще.

Опыт Румфорда показал, что при совершении работы силой трения всегда возникает некоторое количество теплоты. Поскольку в то время и работу, и количество теплоты уже умели измерять, то возникали несколько вопросов. Первый. Если совершать по 1 Дж работы над различными веществами (например, сталью, медью, водой и т.д.) одинаковое ли количество теплоты выделяется при этом? Второй вопрос. Если одинаковое – то сколько именно? Если же разное, то от каких причин это зависит? Были и другие вопросы. Поэтому для дальнейшего развития теории тепловых явлений потребовались новые экспериментальные данные.

Спустя полвека на арену научной деятельности выходит соотечественник Румфорда, манчестерский пивовар Д.Джоуль. Его экспериментальной установкой стал калориметр с погруженной в него мешалкой, которая приводилась во вращение опускавшейся гирей (см. прил. А.2). Трение лопастей мешалки о воду или ртуть, которыми заполнялся калориметр, приводило к их нагреванию.

Сила тяжести, опускавшая гирю, совершала над ней работу A = Fтl = mgh. Возникавшее при трении количество теплоты подсчитывали по основной калориметрической формуле: Q=cmDt. Опыт повторяли при различных условиях: изменяли количество воды, заменяли ее ртутью, меняли массу гири, высоту ее поднятия, диаметр валика, с которого сматывалась нить и т. д.

Заметим, что в XIX веке и работу, и количество теплоты измеряли не "джоулями", как сегодня, а другими единицами. Несмотря на это, вывод Джоуля остается справедливым: при различных явлениях, в которых совершается работа и выделяется теплота, совершение 1 Дж работы всегда приводит к возникновению 1 Дж теплоты. Этот фундаментальный вывод лег в основу термодинамики – новой теории тепловых явлений. С тех пор она существенно расширилась и превратилась в теорию о превращениях работы, теплоты и энергии вообще – химической, электрической, ядерной и т.д. В таком виде термодинамика существует и по сей день.

Раздел 2. Развитие термодинамики. Формирование представлений о превращении энергии

До возникновения термодинамики понятие времени по существу отсутствовало в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и имеющих свою историю. Хотя в качестве переменной время входит во все уравнения классической и квантовой механики, тем не менее, оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е. относить его как будущему, так и к прошлому.

Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена была исследовать физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Однако она не анализирует внутреннее строение термодинамических систем, как это делает статистическая физика, рассматривающая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Самым очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, например, что тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы. Не менее известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот [1, 14].

Термодинамика рассматривает системы, между которыми возможен обмен энергией, без учета микроскопического строения тел, составляющих систему, и характеристик отдельных частиц. Различают термодинамику равновесных систем или систем, переходящих к равновесию (классическая, или равновесная термодинамика) и неравновесных систем (неравновесная термодинамика). Классическая термодинамика чаще всего называется просто термодинамикой и именно она составляет основу так называемой Термодинамической Картины Мира (ТКМ), которая сформировалась к середине 19 в. Неравновесная термодинамика получила развитие во второй половине 20-го века и играет особую роль при рассмотрении биологических систем и феномена жизни в целом.

Таким образом, при исследовании тепловых явлений выделились два научных направления:

1. Термодинамика, изучающая тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества;

2. Молекулярно-кинетическая теория (развитие кинетической теории вещества в противовес теории теплорода) [1, 19].

В 18 в. были изобретены паровые насосы, а затем паровые машины. В начале 19 века появились пароходы, началось строительство железных дорог. Широкое применение пара выдвинуло на первый план исследования тепловых явлений, поиск путей повышения эффективности паровых машин. Возникла и стала быстро развиваться термодинамика. Процесс ее развития был фактически процессом интеграции знаний. Если в начале века только что родившаяся термодинамика выступала как механическая теория теплоты, то на склоне века она представляла собой весьма общую теорию, выходящую собственно за рамки тепловых явлений, прикладываемую ко всем физическим и химическим процессам, происходящим в веществе, в различных системах. Важным достижением на пути этого процесса интеграции знаний было открытие фундаментального закона природы - закона сохранения и превращения энергии.

Основатель термодинамики С. Карно в своем труде "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способах развивать эту силу" пишет: "Тепло - это не что иное, как движущая сила, или вернее движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тел. Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве, она никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызывает то один род движения, то другой . " Чтобы усмотреть здесь закон сохранения и превращения энергии - достаточно вместо "движущей силы" поставить "энергию" (термин "энергия" был введен еще Юнгом в 1807 г., но прижился не сразу; под "энергией" Юнг понимал произведение массы тела на квадрат его скорости).

Открытие закона сохранения и превращения энергии обычно связывают с именами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца. Второе начало термодинамики как некоторое эмпирическое правило было впервые сформулировано в 1850 г. Р. Клаузиусом и в 1851 У.Томсоном (Клаузиус ввел понятия внутренней энергии, а также величины, названной "энтропией") [1, 23].

2.1. Первый закон термодинамики

На рис. 1( см. прил. Б) условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами.

Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.

Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, то есть изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем).

Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами

ΔU = Q – A (см. таблицу 1)

2.2. Второй закон термодинамики

На современном научном языке второе начало термодинамики звучит так: В необратимых процессах полная энтропия системы всегда возрастает. Клаузиус и Томсон пришли к фундаментальному выводу, относящемуся к Вселенной в целом. В действительности обратимых процессов не бывает. Любое механическое движение происходит с хотя бы с малой долей превращения механической энергии в тепловую - выделяемую при трении. Рано или поздно все движущиеся тела остановятся, наступит равновесие, отвечающее максимальной энтропии. Томсон заключил, что "миру грозит тепловая смерть". И в то же время "энергия мира остается неизменной". Второй закон термодинамики называют законом возрастания энтропии.