Почему термодинамика феноменологическая наука ответы кратко

Обновлено: 04.07.2024

Феноменологическая термодинамика позволяет с помощью своих основных положений - начал - легко учитывать наблюдаемые на опыте закономерности и получать из них фундаментальные следствия. Но отказ от рассмотрения сущности явлений ограничивает феноменологическую термодинамику. Не имея ответа на то, что именно происходит и как идет процесс, нельзя судить о границах применимости термодинамических законов. [1]

Феноменологическая термодинамика позволяет доказать ряд неравенств, связывающих критические показатели. [2]

Феноменологическая термодинамика необратимых процессов применима главным образом к анализу химических реакций или таких изменений в открытых системах, для которых можно использовать понятия макроскопической скорости реакции и химического потенциала. При этом вычисление диссипативных функций основано на уравнениях химической кинетики, которые позволяют производить совместный кинетико-термодинамический анализ динамической эволюции реакционноспособной системы через вычисление скоростей и движущих сил процессов. Однако большинство из существующих математических моделей многих каталитических, технологических и особенно биологических систем с использованием дифференциальных уравнений могут отразить лишь отдельные стороны исследуемых процессов, но не описывают сложные реакции в совокупности. Особенно это относится к физико-химическим явлениям, лежащим в основе важнейших биологических процессов роста, развития, адаптации к внешним воздействиям и эволюции живых структур. [3]

Принципы феноменологической термодинамики были установлены в результате обобщения данных исключительно макроскопического опыта и ни в какой степени не связаны с представлениями о молекулярном строении вещества. Феноменологическая термодинамика дает самые общие соотношения между макроскопическими величинами, которые должны выполняться в любой системе независимо от природы образующих ее частиц, и это определяет как сильные стороны феноменологического метода, так и его ограниченность. При исследовании любого макроскопического явления термодинамические закономерности представляют наиболее общую и надежную теоретическую основу. Анализ общих феноменологических зависимостей применительно к рассматриваемому кругу явлений - обычно первый шаг исследования. [4]

В феноменологической термодинамике существуют две формы задания равновесия в системах. Аддитивной форме представления соответствует выражение условий равновесия через термодинамические потенциалы - энергию Гиббса и химический потенциал. Мультипликативной форме представления соответствует задание условий равновесия через активности, неявным образом выраженные через составы фаз. Закон действия масс является одной из форм мультипликативного представления. В зависимости от целей и задач моделирования, области применения моделей используется та или иная форма представления равновесия. [5]

В феноменологической термодинамике изучение состояний равновесия и квазистатических процессов основано на исследовании общих свойств термодинамических потенциалов. Однако строгое обоснование выбора аргументов термодинамических потенциалов, а тем более явного вида этих потенциалов в рамках феноменологической термодинамики невозможно. [6]

В феноменологической термодинамике химический потенциал рассчитывают на один моль. Применимость уравнения (15.7) не ограничивается обратимыми процессами, хотя в основном будут рассмотрены именно эти процессы. Критерием применимости является то, что внутреннее состояние фазы в каждой стадии изменения состояния полностью задается приписанными переменными. Даже если это не имеет места, то справедлива также интегральная форма уравнения (15.7), если начальное или конечное состояния процесса описываются при помощи этих переменных. [7]

В феноменологической термодинамике ограничиваются формальным определением: идеальные газы есть гипотетические ( реально не существующие) газы, подчиняющиеся Ра уравнению Клапейрона. [9]

В феноменологической термодинамике необратимых процессов определенным логическим завершением теории является вывод термогидродинамических дифференциальных уравнений, которые дают полное физико-математическое описание неравновесных процессов. Можно отметить, что при феноменологическом подходе не используются молекулярно-кинетические модели, и в этом случае такие положения, как, например, принцип локального равновесия, линейные законы играют роль основных постулатов теории, целесообразность использования которых при определенных условиях вытекает из многих экспериментальных данных. [10]

Пределы возможностей феноменологической термодинамики ограничиваются, как указывалось выше, относительной величиной взаимодействия рассматриваемой системы с окружающей средой. Мы рассматриваем два вида взаимодействий - электрическое и тепловое, поэтому найдем границы, в которых систему можно рассматривать как квазиравновесную. [11]

Этим ограничиваются возможности феноменологической термодинамики . [12]

О вариационных принципах феноменологической термодинамики необратимых процессов / / Журн. [13]

Радикальные обобщения при построении феноменологической термодинамики предложены в 1963 г. Коулменом и Ноллом, а позднее Мюллером ( 1971 г.), Грином, Лоузом и Нахди ( 1972 г.) и др. Этот класс теорий известен как рациональная термодинамика. В теории Трусделла, Коулмена и Нолла также решается положительно вопрос о существовании неравновесной локальной энтропии, но в более общей функциональной форме, чем это допускается в классической термодинамике необратимых процессов. [14]

Аналогичными свойствами обладает в феноменологической термодинамике , как известно, так называемая характеристическая функция Планка, иначе именуемая термодинамическим потенциалом. В классической теории эта функция зависит от температуры системы и внешних параметров. [15]

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:

Термодинамика — это феноменологическая наука, опирающаяся на обобщения опытных фактов. Процессы, происходящие в термодинамических системах, описываются макроскопическими величинами (температура,давление, концентрации компонентов), которые вводятся для описания систем, состоящих из большого числа частиц, и не применимы к отдельным молекулам и атомам, в отличие, например, от величин, вводимых в механике или электродинамике.

Вложенные файлы: 1 файл

химия реферат.docx

При 200 атм и 400 0С достигается максимальное и равное 36% (по объему) содержание NH3 в реакционной смеси. При дальнейшем повышении температуры вследствие усиленного протекания обратной реакции объемная доля аммиака в смеси уменьшается.
Прямая и обратная реакции протекают одновременно в противоположных направлениях.

Во всех обратимых реакциях скорость прямой реакции уменьшается, скорость обратной реакции возрастает до тех пор, пока обе скорости не станут равными и не установится состояние равновесия.

В состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакции становятся равными.
ПРИНЦИП ЛЕ-ШАТЕЛЬЕ.СМЕЩЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ.
Положение химического равновесия зависит от следующих парамктров реакции: температуры, давления и концентрации. Влияние, которое оказывают эти факторы на химическую реакцию, подчиняются закономерности, которая была высказана в общем виде в 1884 году французским ученым Ле-Шателье. Современная формулировка принципа Ле-Шателье такова:

Если на систему,находящуюся в состоянии равновесия, оказать внешнее воздействие, то система перейдет в другое состояние так, чтобы уменьшить эффект внешнего воздействия.

1. Влияние температуры. В каждой обратимой реакции одно из направлений отвечает экзотермическому процессу, а другое - эндотермическому.

N2 + 3H2 2NH3 + Q

Прямая реакция - экзотермическая, а обратная реакция - эндотермическая. Влияние изменения температуры на положение химического равновесия подчиняется следующим правилам:

При повышении температуры химическое равновесие смещается в направлении эндотермической реакции, при понижении температуры - в направлении экзотермической реакции.

2. Влияние давления. Во всех реакциях с участием газообразных веществ, сопровождающихся изменением объема за счет изменения количества вещества при переоходе от исходных веществ к продуктам, на положение равновесия влияет давление в системе.
Влияние давления на положение равновесия подчиняется следующим правилам:

При повышении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ (исходных или продуктов) с меньшим объемом;
при понижении давления равновесие сдвигается в направлении образования веществ с большим объемом

3. Влияние концентрации. Влияние концентрации на состояние равновесия подчиняется следующим правилам:

При повышении концентрации одного из исходных веществ равновесие сдвигается в направлении образования продуктов реакции;
при повышении концентрации одного из продуктов реакции равновесие сдвигается в направлении образования исходных веществ.

КРИТЕРИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ

9.1. Тепловое равновесие и неравенство Клаузиуса

Этот критерий термодинамического равновесия (максимальность энтропии) связан с выполнением довольно неудобных для практических приложений условий. Действительно, стремление энтропии к максимуму при приближении термодинамической системы к равновесному состоянию справедливо только для изолированных систем, что, конечно, отнюдь не всегда осуществляется на практике, и, следовательно, этот критерий равновесия для практики не всегда удобен. Поэтому необходимо рассмотреть критерии равновесия для неизолированных термодинамических систем и найти другие (не энтропию) функции состояния термодинамической системы, которые будут стремиться к экстремуму при самопроизвольном переходе к равновесному состоянию термодинамических систем в условиях неизолированности, то есть в условиях наличия силовых, тепловых и вещественных контактов систем с внешними телами.

Неравновесность накладывает определенные ограничения. В феноменологической термодинамике термодинамические функции состояния, уравнения состояния (термические и термодинамические) и даже некоторые термодинамические параметры (например, температура) определены, то есть имеют смысл, только для систем, находящихся в равновесном состоянии. Поэтому следует особо отметить, о чем может идти речь, когда обсуждается состояние системы, не находящейся в состоянии равновесия, а лишь приближающейся к этому состоянию. То есть, следует определиться с пониманием того, что подразумевается под параметрами и функциями состояния в условиях некоторого отклонения от состояния равновесия, а именно, определиться с тем, что мы понимаем под вариациями функций и параметров. Под этим надлежит понимать такие процедуры, выполняемые с термодинамическими системами, при которых на функции и параметры накладываются определенные ограничения. А именно, мы будем считать, что рассматриваемую термодинамическую систему всегда можно разделить на квазиизолированные друг от друга области (то есть, энергия взаимодействия частей системы много меньше энергии каждой из частей). В таких случаях термодинамические состояния в подсистемах можно рассматривать как независимые друг от друга и равновесные (небольшие подсистемы быстрее приходят в состояние равновесия, чем вся система). При этом аддитивные функции состояния (например, энергия или энтропия) могут считаться равными сумме функций, найденных для равновесных частей, хотя, конечно, их значения могут отличаться от тех значений, которые они имели бы при установлении общего равновесия во всей системе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Мы видели , что необратимость времени тесно связана с
неустойчивостями в открытых системах . И.Р. Пригожин определяет два
времени . Одно - динамическое , позволяющее задать описание движения
точки в классической механике или изменение волновой функции в квантовой
механике . Другое время - новое внутренние время , которое существует
только для неустойчивых динамических систем . Оно характеризует
состояние системы , связанное с энтропией .

Процессы биологического или общественного развития не имеют конечного
состояния . Эти процессы неограниченны . Здесь , с одной стороны , как
мы видели , нет какого-либо противоречия со вторым началом термодинамики
, а с другой стороны - четко виден поступательный характер развития
(прогресса) в открытой системе. Развитие связано , вообще говоря , с
углублением неравновесности , а значит , в принципе с
усовершенствованием структуры . Однако с усложнением структуры
возрастает число и глубина неустойчивостей , вероятность бифуркации .

Успехи решения многих задач позволили выделить в них общие
закономерности , ввести новые понятия и на этой основе сформулировать
новую систему взглядов - синергетику . Она изучает вопросы
самоорганизации и поэтому должна давать картину развития и принципы
самоорганизации сложных систем , чтобы применять их в управлении . Эта
задача имеет огромное значение , и , по нашему мнению , успехи в ее
исследовании будут означать продвижение в решении глобальных задач :
проблемы управляемого термоядерного синтеза , экологических проблем ,
задач управления и других .

Мы понимаем , что все приведенные в работе примеры относятся к
модельным задачам , и многим профессионалам , работающим в
соответствующих областях науки , они могут показаться слишком простыми .
В одном они правы : использование идей и представлений синергетики не
должно подменять глубокого анализа конкретной ситуации . Выяснить ,
каким может быть путь от модельных задач и общих принципов к реальной
проблеме - дело специалистов. Кратко можно сказать так : если в
изучаемой системе можно выделить один самый важный процесс (или
небольшое их число) , то проанализировать его поможет синергетика . Она
указывает направление , в котором нужно двигаться . И , по-видимому ,
это уже много.

Исследование большинства реальных нелинейных задач было невозможно
без вычислительного эксперимента , без построения приближенных и
качественных моделей изучаемых процессов (синергетика играет важную роль
в их создании). Оба подхода дополняют друг друга . Эффективность
применения одного зачастую определяется успешным использованием другого
. Поэтому будущее синергетики тесно связано с развитием и широким
использованием вычислительного эксперимента .

Изученные в последние годы простейшие нелинейные среды обладают
сложными и интересными свойствами . Структуры в таких средах могут
развиваться независимо и быть локализованы, могут размножаться и
взаимодействовать . Эти модели могут оказаться полезными при изучении
широкого круга явлений .

Известно , что имеется некоторая разобщенность естественно научной и
гуманитарной культур . Сближение , а в дальнейшем , возможно ,
гармоническое взаимообогащение этих культур может быть осуществлено на
фундаменте нового диалога с природой на языке термодинамики открытых
систем и синергетики .

Базаров И.П. Термодинамика. - М.: Высшая школа, 1991 г.

Гленсдорф П. , Пригожин И. Термодинамическая теория структуры ,
устойчивости и флуктуаций. - М.: Мир, 1973 г.

Карери Д. Порядок и беспорядок в структуре материи. - М.: Мир, 1995 г.

Курдюшов С.П. , Малинецкий Г.Г. Синергетика - теория самоорганизации.
Идеи , методы перспективы. - М.: Знание, 1983 г.

Николис Г. , Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. -
М.: Мир, 1979 г.

Николис Г. , Пригожин И. Познание сложного. - М.: Мир, 1990 г.

Перовский И.Г. Лекции по теории дифференциальных уравнений. - М.: МГУ,
1980 г.

Попов Д.Е. Междисциплинарные связи и синергетика. - КГПУ, 1996 г.

Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. - М.:
Иностранная литература , 1960 г.

Пригожин И. От существующего к возникающему. - М.: Наука, 1985 г.

Синергетика , сборник статей. - М.: Мир, 1984 г.

Хакен Г. Синергетика . - М.: Мир , 1980 г.

Хакен Г. Синергетика . Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся
системах и устройствах . - М.: Мир , 1985 г.

Шелепин Л.А. В дали от равновесия. - М.: Знание, 1987 г.

Эйген М. , Шустер П. Гиперцикл . Принципы самоорганизации макромолекул
. - М.: Мир , 1982 г.

В история термодинамики это фундаментальное направление в история физики, то история химии, а история науки в целом. В связи с актуальностью термодинамика в большей части наука и технологии, его история тонко переплетена с разработками классическая механика, квантовая механика, магнетизм, и химическая кинетика, в более отдаленные области применения, такие как метеорология, теория информации, и биология (физиология) и технологический такие разработки, как паровой двигатель, двигатель внутреннего сгорания, криогеника и производство электроэнергии. Развитие термодинамики двигало и двигало атомная теория. Это также, хотя и тонко, мотивировало новые направления в вероятность и статистика; см., например, хронология термодинамики.

Содержание

История

Вклады древности

Древние считали тепло связанным с огнем. В 3000 г. до н.э. древние египтяне считал тепло связанным с мифологиями происхождения. [1] В древнеиндийская философия включая Ведическая философия верят, что пять основных элементов являются основой всех космических творений. [2] в Западные философские традиции, после долгих споров о первичном элементе среди более ранних досократические философы, Эмпедокл предложил четырехэлементную теорию, в которой все вещества происходят из земной шар, воды, воздуха, и Огонь. Эмпедоклов элемент огня, возможно, является основным предком более поздних концепций, таких как флогин и калорийность. Около 500 г. до н.э. Греческий философ Гераклит прославился как философ "потока и огня" за свое пресловутое высказывание: "Все течет". Гераклит утверждал, что три основные элементы в природе были огонь, земля и вода.

Обогрев тело, такое как сегмент белок альфа спираль (выше), имеет тенденцию заставлять его атомы вибрировать сильнее, расширяться или изменяться. фаза, если нагрев продолжается; аксиома природы, отмеченная Герман Бурхааве в 1700-х гг.

в ранний современный периодсчиталось, что тепло является мерой невидимой жидкости, известной как калорийность. Тела были способны удерживать определенное количество этой жидкости, что привело к термину теплоемкость, названный и впервые исследованный Шотландский химик Джозеф Блэк в 1750-х гг. [3]

В XVIII и XIX веках ученые отказались от идеи физической калорийности и вместо этого поняли: высокая температура как проявление системного внутренняя энергия. Сегодня тепло - это передача неупорядоченной тепловой энергии. Тем не менее, по крайней мере, в английском языке термин теплоемкость выживает. В некоторых других языках термин теплоемкость является предпочтительным, а также иногда используется в английском языке.

Атомизм является центральной частью сегодняшних отношений между термодинамикой и статистической механикой. Древние мыслители, такие как Левкипп и Демокрит, а позже Эпикурейцы, развивая атомизм, заложили основы для более поздних атомная теория [ нужна цитата ] . До экспериментального доказательства атомы Позже, в ХХ веке, теория атома в значительной степени определялась философскими соображениями и научной интуицией.

Греческий философ V века до н.э. Парменид, в его единственном известном произведении, стихотворении с условным названием На природе, использует вербальные рассуждения, чтобы постулировать, что пустота, по сути то, что сейчас известно как вакуум, в природе возникнуть не могло. Это мнение было поддержано аргументами Аристотель, но был раскритикован Левкипп и Герой Александрии. От античности до средневековья выдвигались различные аргументы, чтобы доказать или опровергнуть существование вакуума, и было сделано несколько попыток создать вакуум, но все они оказались безуспешными.

Европейские ученые Корнелиус Дреббель, Роберт Фладд, Галилео Галилей и Санторио Санторио в 16-17 веках смогли измерить относительную "холодность" или же "жаркость"воздуха, используя элементарный воздух термометр (или же термоскоп). На это могло повлиять более раннее устройство, которое могло расширять и сжимать воздух, построенный Филон Византийский и Герой Александрии.

Чтобы доказать эту теорию, он наполнил длинную стеклянную трубку (запаянную с одного конца) ртутью и перевернул ее в чашу, также содержащую ртуть. Опорожняется только часть трубки (как показано рядом); Осталось ~ 30 дюймов жидкости. По мере того, как ртуть высыхала, и частичная вакуум был создан в верхней части трубки. Сила тяжести на тяжелом элементе Меркурий не позволила ему заполнить вакуум.

Переход от химии к термохимии

Первый в мире ледяной калориметр, использовавшийся зимой 1782–83 гг. Антуан Лавуазье и Пьер-Симон Лаплас, для определения тепла, выделяемого в различных химические изменения; расчеты, основанные на Джозеф Блэкпредыдущее открытие скрытая теплота. Эти эксперименты составляют основу термохимия. [ нужна цитата ]

Первые существенные экспериментальные вызовы теории калорийности возникли в Рамфордработа 1798 года, когда он показал скучную чугун пушки выделял большое количество тепла, которое он приписывал трение, и его работа была одной из первых, опровергающих теорию калорийности. Развитие паровой двигатель также сосредоточил внимание на калориметрия и количество тепла, производимого различными типами каменный уголь. Первые количественные исследования изменений тепла во время химических реакций были инициированы Лавуазье используя лед калориметр после исследования Джозеф Блэк на скрытая теплота воды.

Дополнительные количественные исследования Джеймс Прескотт Джоуль в 1843 г. предоставили хорошо воспроизводимые явления и помогли поставить предмет термодинамики на прочную основу. Уильям Томсон, например, еще в 1850 году все еще пытался объяснить наблюдения Джоуля в калорических рамках. Полезность и объяснительная сила кинетическая теорияоднако вскоре начали вытеснять калорийность, и к концу XIX века она в значительной степени устарела. Джозеф Блэк и Лавуазье внесли важный вклад в точное измерение изменений температуры с помощью калориметр, предмет, который стал известен как термохимия.

Феноменологическая термодинамика

(1662) был впервые опубликован Жозеф Луи Гей-Люссак в 1802 году, но он сослался на неопубликованные работы Жак Шарль примерно с 1787 года. Эти отношения были предвосхищены работой Гийом Амонтон в 1702 г. (1802)

Рождение термодинамики как науки

Ирландский физик и химик Роберт Бойл в 1656 г. по согласованию с английским ученым Роберт Гук, построил воздушный насос. Используя этот насос, Бойл и Гук заметили корреляцию давления и объема: P.V = постоянный. В то время считалось, что воздух - это система неподвижных частиц, а не система движущихся молекул. Концепция теплового движения появилась двумя веками позже. Таким образом, публикация Бойля в 1660 году говорит о механической концепции: пневматической рессоре. [4] Позже, после изобретения термометра, температуру свойства можно было определить количественно. Этот инструмент дал Гей-Люссак возможность вывести свой закон, который вскоре привел к закон идеального газа. Но еще до установления закона об идеальном газе соратник Бойля назвал Денис Папин построил в 1679 году костный варочный котел, который представляет собой закрытый сосуд с плотно закрывающейся крышкой, удерживающей пар до тех пор, пока не будет создано высокое давление.

А Паровой двигатель ватта, то паровой двигатель которые привели к промышленной революции в Великобритании и во всем мире

В 1843 г. Джеймс Джоуль экспериментально обнаружил механический эквивалент тепла. В 1845 году Джоуль сообщил о своем самом известном эксперименте, в котором использовался падающий груз для вращения гребного колеса в бочке с водой, что позволило ему оценить механический эквивалент тепла в 819 фут-фунт / БТЕ (4,41 Дж. / кал). Это привело к теории сохранение энергии и объяснил, почему тепло может работать.

В 1850 году знаменитый физик-математик Рудольф Клаузиус ввел термин "энтропия" (das Wärmegewicht, символизирует S) для обозначения потери тепла или превращения его в отходы. ("Wärmegewicht"переводится буквально как" тепловой вес "; соответствующий английский термин происходит от греческого τρέπω, "Я поворачиваю".)

В сотрудничестве с Клаузиусом в 1871 году шотландский математик и физик Джеймс Клерк Максвелл сформулировал новый раздел термодинамики, названный Статистическая термодинамика, который предназначен для анализа большого количества частиц на равновесие, то есть системы, в которых не происходит никаких изменений, так что только их средние свойства, такие как температура Т, давление п, и объем V стать важным.

Вскоре после этого, в 1875 г., австрийский физик Людвиг Больцманн сформулировал точную связь между энтропией S и молекулярное движение:

определяется числом возможных состояний [W], в которых может находиться такое движение, где k - Постоянная Больцмана.

Кинетическая теория

Идея о том, что тепло - это форма движение возможно, древний и, безусловно, обсуждается Френсис Бэкон в 1620 г. в его Novum Organum. Первое письменное научное размышление о микроскопической природе тепла, вероятно, можно найти в работе Михаил Ломоносов, в котором он написал:

В те же годы Даниэль Бернулли опубликовал свою книгу Гидродинамика (1738), в котором он вывел уравнение для давления газа с учетом столкновений его атомов со стенками контейнера. Он доказывает, что это давление составляет две трети средней кинетической энергии газа в единице объема. [ нужна цитата ] Однако идеи Бернулли мало повлияли на доминирующую калорийную культуру. Бернулли установил связь с Готфрид Лейбницс vis viva принцип, ранняя формулировка принципа сохранение энергии, и на протяжении всей своей истории эти две теории тесно переплетались. Хотя Бенджамин Томпсон предположил, что тепло является формой движения в результате своих экспериментов в 1798 году, не было предпринято никаких попыток примирить теоретический и экспериментальный подходы, и маловероятно, что он думал о vis viva принцип.

Джон Герапат позже независимо сформулировал кинетическую теорию в 1820 году, но ошибочно связал температуру с импульс скорее, чем vis viva или же кинетическая энергия. Его работа окончательно провалилась экспертная оценка и пренебрегали. Джон Джеймс Уотерстон в 1843 году представил в значительной степени точный отчет, опять же независимо, но его работа получила такой же прием, не получив экспертной оценки даже со стороны кого-то, столь же хорошо настроенного к кинетическим принципам, как Дэви.

Дальнейший прогресс кинетической теории начался только в середине XIX века, когда появились работы А. Рудольф Клаузиус, Джеймс Клерк Максвелл, и Людвиг Больцманн. В его работе 1857 г. О природе движения, называемого тепломКлаузиус впервые четко заявляет, что тепло - это средняя кинетическая энергия молекул. Это заинтересовало Максвелла, который в 1859 г. вывел импульсное распределение, позднее названное его именем. Впоследствии Больцман обобщил свое распределение на случай газов во внешних полях.

Больцман, пожалуй, является наиболее значительным автором кинетической теории, поскольку он ввел многие из фундаментальных понятий теории. Кроме Распределение Максвелла – Больцмана упоминалось выше, он также связывал кинетическую энергию частиц с их степени свободы. В Уравнение Больцмана для функции распределения газа в неравновесных состояниях все еще остается наиболее эффективным уравнением для изучения явлений переноса в газах и металлах. Вводя понятие термодинамическая вероятность как количество микросостояний, соответствующих текущему макросостоянию, он показал, что его логарифм пропорционален энтропии.

Разделы термодинамики

Следующий список представляет собой грубый дисциплинарный план основных разделов термодинамики и времени их зарождения:

Инженерная термодинамика
Химическая инженерная термодинамика - c. 1940-е годы – 1941
Термодинамика малых систем - 1960-е годы – 1957
Термодинамика экосистемы - 1959 г.
Релятивистская термодинамика - 1965 г. - 1960-е гг. – 1968 - c. 1970-е годы
Теория критические явления и использование ренормгруппа теория статистической физики - 1966-1974 гг.
Геологическая термодинамика - c. 1970-е годы
Термодинамика биологической эволюции - 1978
Геохимическая термодинамика - c. 1980-е - c. 1980-е
Термодинамика природных систем - 1990-е гг.
Супрамолекулярная термодинамика - 1990-е гг.
Термодинамика землетрясений - 2000 г.
Термодинамика рецепторов лекарств - 2001
Термодинамика фармацевтических систем - 2002

Концепции термодинамики также применялись в других областях, например:

Энтропия и второй закон

Хотя он работал с теорией калорий, Сади Карно в 1824 г. предположил, что часть калорий, доступных для производства полезной работы, теряется в любом реальном процессе. В марте 1851 г., пытаясь примириться с работой Джеймс Прескотт Джоуль, Лорд Кельвин начал предполагать, что во всех процессах неизбежна потеря полезного тепла. Еще более драматично идея была оформлена Герман фон Гельмгольц в 1854 году, породив призрак тепловая смерть вселенной.

В 1854 г. Уильям Джон Маккорн Рэнкин начал использовать в расчетах то, что он называл своим термодинамическая функция. Впоследствии было показано, что это идентично концепции энтропия сформулировано Рудольф Клаузиус в 1865 году. Клаузиус использовал эту концепцию для развития своего классического утверждения второй закон термодинамики В том же году.

Теплопередача

Феномен теплопроводность сразу же воспринимается в повседневной жизни. В 1701 году сэр Исаак Ньютон опубликовал свой закон охлаждения. Однако в 17 веке пришло мнение, что все материалы обладают одинаковой проводимостью и что различия в ощущениях возникают из-за их различий. тепловые мощности.

Предположения, что это может быть не так, пришли из новой науки о электричество в котором было легко очевидно, что одни материалы были хорошими электрическими проводниками, а другие - эффективными изоляторами. Ян Инген-Хоуш в 1785-1759 годах сделал некоторые из самых ранних измерений, как и Бенджамин Томпсон в тот же период.

Тот факт, что теплый воздух поднимается вверх, и важность этого явления для метеорологии впервые осознал Эдмунд Галлей в 1686. Сэр Джон Лесли заметил, что охлаждающий эффект потока воздуха увеличивался с его скоростью в 1804 году.

Карл Вильгельм Шееле отличная теплопередача тепловое излучение (лучистое тепло) от конвекции и теплопроводности в 1777 г. В 1791 г. Пьер Прево показали, что все тела излучают тепло, независимо от того, насколько они горячие или холодные. В 1804 году Лесли заметил, что матовая черная поверхность излучает тепло более эффективно, чем полированная поверхность, что указывает на важность излучение черного тела. Хотя об этом можно было подозревать даже по работе Шееле, в 1831 г. Македонио Меллони продемонстрировали, что излучение черного тела может быть отраженный, преломленный и поляризованный так же, как и свет.

Джеймс Клерк Максвеллпонимание 1862 года, что и свет, и лучистое тепло были формами электромагнитная волна привело к началу количественный анализ теплового излучения. В 1879 г. Йожеф Стефан заметил, что общая лучистый поток от черного тела пропорционален четвертой степени его температуры и заявил Закон Стефана – Больцмана. Теоретически закон был выведен Людвиг Больцманн в 1884 г.

Абсолютный ноль

В 1702 г. Гийом Амонтон представил концепцию абсолютный ноль на основе наблюдений газы. В 1810 году сэр Джон Лесли искусственно заморозил воду до льда. Идея абсолютного нуля была обобщена в 1848 году лордом Кельвином. В 1906 г. Вальтер Нернст заявил третий закон термодинамики.

Квантовая термодинамика

В 1900 г. Макс Планк нашел точный формула для спектра излучения черного тела. Подбор новых данных потребовал введения новой константы, известной как Постоянная Планка, фундаментальная постоянная современной физики. Рассматривая излучение как исходящее от генератора резонатора, находящегося в тепловом равновесии, формула предполагала, что энергия в резонаторе возникает только в количестве, кратном частоте, умноженной на постоянную. То есть квантуется. Это позволило избежать расхождения, к которому теория привела бы без квантования.

Читайте также: