|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
NAJWAŻNIEJSZE ODKRYCIA NAUKOWE
Druga zasada termodynamiki. Historia i istota odkryć naukowych
Katalog / Najważniejsze odkrycia naukowe Anglik Humphrey Davy (1788-1829) został profesorem w wieku 23 lat, zdobył wiele nagród naukowych i publicznych, a poza tym dodał do swojego nazwiska leczenie „sir”, został wybrany prezesem Royal Society of London. Podczas swojego długiego życia w nauce przeprowadził wiele udanych eksperymentów. Na początku XIX wieku Davy'emu udało się stopić lód przez tarcie w temperaturze poniżej zera. Później doświadczenie powtórzył rosyjski naukowiec Pietrow. Benjamin Thompson (1753-1814), który wyemigrował z Ameryki po zwycięskim zakończeniu wojny o niepodległość i otrzymał tytuł hrabiego Rumforda w Bawarii, opublikował w 1798 r. wyniki eksperymentów z wierceniem luf armatnich. W jednym z jego eksperymentów, przy 960 obrotach wiertła, temperatura wierconego cylindra wzrosła o 37 stopni Celsjusza. Davy doszedł do wniosku, że teoria kaloryczności jest niezgodna zarówno z eksperymentami Rumfoorda, jak i jego własnymi, i przedstawił kinetyczną teorię ciepła, zgodnie z którą ciepło reprezentuje ruch oscylacyjny cząstek ciała, a dla gazów i cieczy , pozwolił również na ruch obrotowy cząstek. Jung dołączył również do wibracyjnej teorii ciepła. A jednak teoria kaloryczności nadal dominowała. Dwie najbardziej fundamentalne prace dotyczące teorii ciepła odnoszące się do rozważanego okresu, prace, które słusznie weszły do złotego zasobu literatury naukowej, opierają się na pojęciu kaloryczności. Pierwsza z tych prac, Analytyczna teoria ciepła Fouriera, została opublikowana w 1822 roku w Paryżu i jest wynikiem jego wieloletnich badań w dziedzinie fizyki matematycznej. Kolejny esej należał do syna słynnego francuskiego matematyka Lazara Carnota, Sadi Carnota. Nicolò Léonard Sadi Carnot (1796-1832) studiował w Szkole Politechnicznej. Od 1814 r. pracuje jako inżynier wojskowy, a od 1819 r. porucznik sztabu generalnego. Jako syn republikańskiego ministra na wygnaniu, Carnot nie mógł awansować i przejść na emeryturę w 1828 roku. Zmarł na cholerę. Esej Medytacja na temat siły ognia, opublikowany w 1824 roku, był jedynym ukończonym dziełem Carnota. Carnot pisze: „Ciepło to nic innego jak siła napędowa, a raczej ruch, który zmienił swoją formę; jest to ruch cząstek ciał; gdziekolwiek następuje zniszczenie siły napędowej, ciepło powstaje w ilości dokładnie proporcjonalnej do wielkość zaniku siły napędowej.Odwrotnie: zawsze wraz z zanikiem ciepła istnieje siła napędowa. Można więc wyrazić ogólne stanowisko: siła napędowa istnieje w przyrodzie w niezmienionej ilości; ściśle mówiąc, nigdy nie jest tworzony, nigdy nie jest niszczony; w rzeczywistości zmienia formę, to znaczy powoduje teraz jeden rodzaj ruchu, potem inny, ale nigdy nie zanika. Zgodnie z niektórymi pomysłami, które mam na temat teorii ciepła, stworzenie jednostki siły wymaga wydatku 2,7 jednostki ciepła. W odniesieniu do tych linii słynny francuski naukowiec Henri Poincare wykrzyknął z podziwem w 1892 r.: „Czy można jaśniej i dokładniej wyrazić prawo zachowania energii?” Jako inżynier Carnot zajmował się obliczaniem i budową silników wodnych. Ale ponieważ do tego czasu silniki parowe były coraz częściej używane w całej Francji, młody inżynier zainteresował się stworzeniem teorii silników cieplnych. W tamtych czasach w nauce dominowały poglądy, że ciepło jest substancją. Ale Sadi Carnot postanowił odpowiedzieć na jedno z najtrudniejszych pytań fizyki; W jakich warunkach można zamienić ciepło w pracę? Dobrze obeznany z obliczeniami silników wodnych, Carnot porównał ciepło do wody. Doskonale wiedział, że aby młyn wodny działał, konieczny jest jeden warunek - woda musi opadać z wysokiego poziomu na niski. Carnot zasugerował, że aby ciepło mogło działać, musi również przemieszczać się z wysokiego poziomu na niski, a różnica wysokości dla wody odpowiada różnicy temperatur dla ciepła. W 1824 Sadi Carnot wyraził pomysł, dzięki któremu przeszedł do historii: do produkcji pracy w silniku cieplnym potrzebna jest różnica temperatur, potrzebne są dwa źródła ciepła o różnych temperaturach. To stwierdzenie w teorii Carnota jest głównym i nazywa się zasadą Carnota. Opierając się na wyprowadzonej przez niego zasadzie, Carnot wymyślił cykl idealnego silnika cieplnego, którego żaden prawdziwy silnik nie może przekroczyć. Według Carnota idealną maszyną był prosty cylinder z tłokiem. Dolna ścianka cylindra ma idealną przewodność cieplną, może być umieszczona na gorącej powierzchni np. na powierzchni grzałki wypełnionej mieszaniną ołowiu stopionego i stałego lub na powierzchni lodówki np. z mieszaniną wody i lodu. Oba źródła ciepła są nieskończenie duże. Druga zasada termodynamiki mówi, że maszyna perpetuum mobile drugiego rodzaju jest niemożliwa. To stwierdzenie jest parafrazą zasady Carnota, a zatem wydajność maszyny pracującej w cyklu Carnota nie może zależeć od substancji użytej w cyklu. Carnot opisał cykl pracy idealnego silnika cieplnego, pokazał jak obliczyć jego maksymalną sprawność. Aby to zrobić, wystarczy znać najwyższą i najniższą temperaturę pary wodnej (lub innego płynu chłodzącego, jak zauważył Carnot) używanego w tej maszynie. Różnica między tymi temperaturami podzielona przez wartość wysokiej temperatury równa się sprawności maszyny. Temperatury muszą być wyrażone w stopniach bezwzględnej skali Kelvina. To równanie nazywa się drugą zasadą termodynamiki i cała technologia jest jej posłuszna. Obliczenia według wzoru Carnota wykazały, że pierwsze silniki cieplne nie mogły mieć sprawności większej niż 7-8 proc., a jeśli uwzględnimy nieunikniony wyciek ciepła do atmosfery, to wynikowa wartość 2-3 proc. uznany za znaczące osiągnięcie... Dość szybko wraz z parą, jak przewidywał Carnot, w turbinach zastosowano również gaz, który można nagrzewać do wysokiej temperatury. Jeżeli temperatura gorącego gazu w turbinie wynosi 800 stopni Kelvina (527 stopni Celsjusza), a lodówka obniża ją do 300 stopni Kelvina, to maksymalna wydajność maszyny, nawet przy idealnym cyklu Carnota, nie może być powyżej 62 proc. Nieuniknione straty ciepła prowadzą, jak zawsze, do zmniejszenia tej liczby. Najlepsze przykłady turbin zainstalowanych w nowoczesnych elektrowniach mają sprawność 35-40 proc. Carnot zwrócił uwagę na specyficzną cechę ciepła. Ciepło tworzy pracę mechaniczną tylko z „różnicą” termiczną, tj. obecnością różnicy temperatur. Ta różnica temperatur decyduje o sprawności silników cieplnych. Paul Clapeyron w 1834 roku rozwinął idee Carnota i wprowadził metodę graficzną, która jest bardzo cenna w badaniach termodynamicznych. W 1850 roku ukazała się pierwsza praca Rudolfa Clausiusa (1822-1888) „O sile napędowej ciepła”, w której ponownie, po Carnot i Clapeyron, postawiono pytanie o warunki przekształcania ciepła w pracę. Zasada zachowania energii, wymagająca jedynie równości ilościowej, nie nakłada żadnych warunków na jakościową przemianę energii. W tej pracy Clausius analizuje teorię Carnota z nowego punktu widzenia, z punktu widzenia mechanicznej teorii ciepła. Dzieło Carnota zostało niedawno wskrzeszone z popiołów zapomnienia przez Williama Thomsona (Lord Kelvin) (1824-1907). „Thomson przyznaje”, pisze PS Kudryavtsev w swojej książce „Historia fizyki”, że pogląd Carnota, że ciepło w maszynach jest tylko redystrybuowane, a nie zużywane, jest błędny. Ale jednocześnie zwraca uwagę, że jeśli porzucimy wnioski Carnota dotyczące warunków przemiany ciepła w pracę, wówczas napotkamy trudności nie do pokonania. Thomson konkluduje, że teoria ciepła wymaga poważnej restrukturyzacji i dodatkowych badań eksperymentalnych. W swojej pracy Clausius wierzy, że wraz z pierwszym prawem, które mówi: „we wszystkich przypadkach, gdy ciepło wytwarza pracę, ilość ciepła jest zużywana proporcjonalnie do otrzymanej pracy”, stanowisko Carnota powinno być zachowane jako drugie prawo, że praca powstaje, gdy ciepło przechodzi z cieplejszego ciała do zimniejszego. Ta pozycja, według Clausiusa, jest zgodna z naturą ciepła, w której zawsze następuje przejście ciepła „samo z siebie” z ciała gorącego do zimnego, a nie odwrotnie. Jako drugi początek Clausius wysuwa postulat: „Ciepło nie może „samo z siebie” przejść z ciała chłodniejszego do cieplejszego”. Słowa „samo w sobie” nie powinny oznaczać, że ciepło nie może być w ogóle przenoszone z zimnego ciała do ogrzanego (w przeciwnym razie maszyny chłodnicze nie byłyby możliwe). Oznaczają one, że nie może być takich procesów, których jedynym skutkiem byłoby wspomniane przejście, bez odpowiadających im innych zmian „kompensacyjnych”. Po tej pracy nastąpiły niemal równocześnie w 1851 roku trzy artykuły Thomsona. Po zbadaniu kwestii transformacji różnych form energii z ilościowego punktu widzenia Thomson wskazuje, że przy tej samej wartości ilościowej nie wszystkie rodzaje energii są zdolne do transformacji w tym samym stopniu. Na przykład istnieją warunki, w których zamiana ciepła na pracę jest niemożliwa. Postulat Thomsona mówi: „Za pomocą ciała nieożywionego niemożliwe jest uzyskanie mechanicznego działania jakiejkolwiek masy materii poprzez schłodzenie jej temperatury poniżej temperatury najzimniejszego z otaczających ciał”. Rozwijając to stanowisko, Thomson w swojej pracy z 1857 r. dochodzi do znanego wniosku o dominującej w przyrodzie tendencji do przekształcania energii w ciepło i wyrównywania temperatur, co ostatecznie prowadzi do spadku sprawności wszystkich ciał do zera, do śmierć. W 1854 r. Clausius w swoim artykule „O zmodyfikowanej postaci drugiego prawa mechanicznej teorii ciepła” udowadnia twierdzenie Carnota, oparte na jego postulacie, i uogólniając je, daje matematyczny wyraz drugiego prawa w postaci nierówność dla procesów o obiegu zamkniętym. W kolejnych pracach Clausius wprowadza funkcję stanu „entropia” i podaje matematyczne sformułowanie trendu, widzianego przez Thomsona, w postaci stanowiska „Entropia wszechświata dąży do maksimum”. Tak więc w fizyce wraz z „królową świata” (energią) pojawił się jej „cień” (entropia). Sam Clausius pod koniec swojej pracy w 1865 r. pisze: „Drugie prawo, w formie, w jakiej je podałem, mówi, że wszystkie przemiany zachodzące w przyrodzie w określonym kierunku, który przyjąłem jako pozytywny, mogą wystąpić same , czyli bez kompensacji, ale w odwrotnym kierunku, tj. w kierunku ujemnym, mogą one wystąpić tylko wtedy, gdy zostaną skompensowane przez zachodzące jednocześnie z nimi przekształcenia dodatnie. Zastosowanie tej zasady do całego wszechświata prowadzi do wniosku, na który po raz pierwszy zwrócił uwagę William Thomson. Rzeczywiście, jeśli przy wszystkich zmianach zachodzących we Wszechświecie stany transformacji w jednym konkretnym kierunku stale przeważają w wielkości nad transformacjami w kierunku przeciwnym, to „ogólny stan Wszechświata musi się coraz bardziej zmieniać w pierwszym kierunku, i dlatego musi stale zbliżać się do stanu granicznego. Autor: Samin D.K.
▪ Ilość
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ Algorytm przewidywania przestępczości ▪ PENTAX wstrzymuje produkcję aparatów kompaktowych i analogowych lustrzanek jednoobiektywowych ▪ Dwie nowe cewki indukcyjne firmy Vishay ▪ Ubóstwo i stres pozostają w genach
▪ sekcja serwisu Wskazówki dla radioamatorów. Wybór artykułu ▪ Artykuł dotyczący administratora sieci LAN. Opis pracy ▪ artykuł System bezpieczeństwa dla domu. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki ▪ Artykuł UMZCH z regulowaną impedancją wyjściową. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony