Развитие взглядов на природу теплоты

     Однако  в различных разделах физики по историческим причинам закон сохранения энергии  формулируется по-разному, в связи с чем говорится о сохранении различных видов энергии. Например, в термодинамике закон сохранения энергии выражается в виде первого начала термодинамики.

     Поскольку закон сохранения энергии относится  не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде  и всегда, закономерность, то более  правильным является его именование не законом, а принципом сохранения энергии.

     С математической точки зрения закон  сохранения энергии эквивалентен утверждению, что система дифференциальных уравнений, описывающая динамику данной физической системы, обладает первым интегралом движения, связанным с симметричностью  уравнений относительно сдвига во времени.

     Закон сохранения энергии, в частности, утверждает, что не существует вечных двигателей первого рода, то есть невозможны такие  процессы, единственным результатом  которых было бы производство работы без каких-либо изменений в других телах.

     В электродинамике закон сохранения энергии исторически формулируется в виде теоремы Пойнтинга(иногда также называемой теоремой Умова—Пойнтинга, связывающей плотность потока электромагнитной энергии с плотностью электромагнитной энергии и плотностью джоулевых потерь. В словесной форме теорема может быть сформулирована следующим образом:

     Изменение электромагнитной энергии, заключённой  в неком объёме, за некий интервал времени равно потоку электромагнитной энергии через поверхность, ограничивающую данный объём, и количеству тепловой энергии, выделившейся в данном объёме, взятой с обратным знаком.

     Энергетические  соотношения, характеризующие взаимодействие колебаний или волн в нелинейных системах с сосредоточенными или  распределёнными параметрами. Они  были впервые получены в 1956 году Дж. Мэнли и Г. Э. Роу для колебаний в нелинейной реактивной системе с сосредоточенными параметрами, а впоследствии обобщены на волны в нелинейных средах.

     Соотношения Мэнли — Роу справедливы для системы с произвольной реактивной нелинейностью. В совокупности с законами сохранения энергии и импульса, соотношения Мэнли — Роу определяют характер нелинейного взаимодействия волн (колебаний) и позволяют рассчитать максимальную эффективность преобразователя частоты на реактивной нелинейности.

     Одним из первых экспериментов, подтверждавших закон сохранения энергии, был эксперимент  Жозефа Луи Гей-Люссака, проведённый  в 1807 году. Пытаясь доказать, что  теплоёмкость газа зависит от объёма, он изучал расширение газа в пустоту  и обнаружил, что при этом его  температура не изменяется. Однако, объяснить этот факт ему не удалось[18].

     В начале XIX века рядом экспериментов  было показано, что электрический  ток может оказывать химическое, тепловое, магнитное и электродинамическое  действия. Такое многообразие подвигло М. Фарадея выразить мнение, заключающееся  в том, что различные формы, в  которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение, то есть могут превращаться друг в друга[22]. Эта точка зрения, по своей сути, предвосхищает закон сохранения энергии. 
 

     Вопрос  №3. Второе начало термодинамики  и «теория» тепловой смерти.

     Второе  начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение  на направление процессов передачи тепла между телами.

     Второе  начало термодинамики гласит, что  невозможен самопроизвольный переход  тепла от тела, менее нагретого, к  телу, более нагретому.

     Второе  начало термодинамики запрещает  так называемые вечные двигатели  второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не должна равняться 0.

     Второе  начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения  опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

     Ведущую роль в основании теории тепловых явлений сыграли Р. Клаузиус, В. Томсон и другие ученые.

     Статьи  Клаузиуса по механической теории теплоты были изданы в 1867 г. В 1879-1891 гг. вышло второе, переработанное и дополненное, издание этой книги под заглавием «Die mechanische Warmetheorie» в трех томах. Второй том книги был посвящен механической теории электричества, третий — кинетической теории газов.

     Первая  статья Клаузиуса «О движущей силе теплоты» появилась в 1850 г. В ней он разбирает работу Карно (вслед за В. Томсоном) и, отказываясь от его концепции неуничтожаемости теплоты, считает, что надо сохранить основную часть его положения в виде нового принципа — второго начала, который Клаузиус формулирует следующим образом: «Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому». Клаузиус неоднократно в своих статьях разъяснял смысл выражения «сама собой». «Появляющиеся слова «сама собой», — писал он в «Статьях по механической теории тепла»,— требуют, чтобы быть вполне понятными, еще объяснения, которое дано мною в различных местах моих работ». Теплота в ряде процессов может перейти от холодного тела к теплому, но «тогда одновременно с этим переходом от более холодного к более теплому телу должен иметь место и противоположный переход теплоты от более теплого к более холодному, либо должно произойти какое-либо другое изменение, обладающее той особенностью, что оно не может быть обращено без того, чтобы не вызвать с своей стороны, посредственно или непосредственно, такой противоположный переход теплоты ». Клаузиус указывает, что такой противоположный процесс должен рассматриваться «как компенсация перехода теплоты от более холодного тела к более теплому», и дает новую формулировку принципа: «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому не может иметь место без компенсации».

     «Это  предположение, выставленное мною в  качестве принципа, — пишет Клаузиус в своем обобщающем труде, — встретило много возражений, и мне пришлось его неоднократно защищать». В борьбе за утверждение нового принципа большую роль сыграл английский физик Вильям Томсон.

     Томсону наряду с Клаузиусом принадлежит заслуга в обосновании второго закона термодинамики. В 1848 г. он сомневался в справедливости закона сохранения энергии, так как в тепловых машинах теплота не полностью переходит в работу (это было показано еще Карно). Работа Карно подсказала Томсону важную мысль о введении температурной шкалы, не зависящей от выбора термометрического тела, — абсолютной шкалы температур. Эта «шкала Кельвина» основана на процессе Карно, который, как известно, носит абсолютный характер, не зависящий от выбора рабочего вещества и характера процессов, применяемых в цикле. Введение «шкалы Кельвина» представляет первый существенный вклад Томсона в термодинамику (1848).

     17 марта, 21 апреля и 15 декабря 1851 г. Томсон сделал в Эдинбургском Королевском обществе доклады, опубликованные в «Трудах» общества за 1851 г. и в «Philosophical Magazine» за 1852 г. под заглавием «О динамической теории теплоты». Эта работа представляет собой изложение новой точки зрения на теплоту, согласно которой «теплота представляет собой не вещество, а динамическую форму механического эффекта». Поэтому «должна существовать некоторая эквивалентность между механической работой и теплотой». Томсон указывает, что этот принцип, «по-видимому, впервые... был открыто провозглашен в работе Майера «Замечания о силах неживой природы».  

     Далее он упоминает работу Джоуля, исследовавшего численное соотношение, «связывающее теплоту и механическую силу». Томсон утверждает, что вся теория движущей силы теплоты основана на двух положениях, из которых первое восходит к Джоулю и формулируется следующим образом: «Во всех случаях, когда равные количества механической работы получаются каким бы то ни было способом исключительно за счет теплоты или бывают израсходованы исключительно на получение тепловых действий, всегда теряются или приобретаются равные количества теплоты».

     Второе  положение Томсон формулирует так: «Если какая-либо машина устроена таким образом, что при работе ее в противоположном направлении все механические и физические процессы в любой части ее движения превращаются в противоположные, то она производит ровно столько механической работы, сколько могла бы произвести за счет заданного количества тепла любая термодинамическая машина с теми же самыми температурными источниками тепла и холодильника».

     Эта положение Томсон возводит к Карно  и Клаузиусу и обосновывает следующей аксиомой: «Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов».

     К этой формулировке, которую называют томсоновской формулировкой второго начала, Томсон делает следующее примечание: «Если бы мы не признали эту аксиому действительной при всех температурах, нам пришлось бы допустить, что можно ввести в действие автоматическую машину и получать путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания всей теплоты суши и моря или в конце концов всего материального мира». Описанную в этом примечании «автоматическую машину» стали называть perpetuum mobile 2-го рода и формулировку Томсона кратко выражать как принцип невозможности perpetuum mobile 2-го рода.  
 
 

          В 1852 г. Томсон в статье "О  проявляющейся в природе общей  тенденции к рассеянию механической энергии" пришел к следующим пессимистическим выводам:

  1) В материальном мире существует в настоящее время общая тенденция к расточению механической энергии.

2)Восстановление механической энергии в ее прежнем количестве без рассеяния ее в более чем эквивалентном количестве не может быть осуществлено при помощи каких бы то ни было процессов с неодушевленными предметами и, вероятно, также никогда не осуществляется при помощи организованной материи, как наделенной растительной жизнью, так и подчиненной воле одушевленного существа.

 3) В прошлом, отстоящем на конечный промежуток времени от настоящего момента, Земля находилась и спустя конечный промежуток времени снова очутится в состоянии, непригодном для обитания человека; если только в прошлом не были проведены и в будущем не будут предприняты такие меры, которые являются неосуществимыми при наличии законов, ныне регулирующих известные процессы, протекающие ныне в материальном мире".

     Такова  концепция тепловой смерти Вселенной. Через двадцать лет к идее тепловой смерти Вселенной приходит и Клаузиус, формулируя второе начало в виде положения: "Энтропия Вселенной стремится к максимуму".

       Концепция тепловой смерти вызвала  бурную дискуссию среди физиков  и философов, которая еще не завершена и в наше время. Среди главных возражений крупных ученых этой концепции было возражение о неправомерности распространения второго начала на всю Вселенную. Статистическая интерпретация второгоначала термодинамики Больцмана избавляет Вселенную от тепловой смерти. Второе начало носит у Больцмана не абсолютный характер, а является статистическим законом природы. В природе возможны процессы, происходящие с убыванием энтропии, хотя и маловероятные, которые избавляют Вселенную от тепловой смерти.

     Интерпретация Больцмана второго начала термодинамики подвергалась жестокой критике, и это послужило толчком к его самоубийству. 

     Порядок и беспорядок. Наш пример с дисками показывает, что вероятность напрямую связана с беспорядком. Мы видели, что, когда выпадает одинаковое число белых и черных дисков, когда состояние системы наименее упорядочено, тогда вероятность становится наибольшей, в то же время, вероятность наименьшая, когда система наиболее упорядочена, когда выпадают только белые или только черные диски. Что же такое порядок и беспорядок?

          В общих чертах мы представляем, что такое порядок или структура.  Возьмем кристаллическое тело. Оно представляет собой собрание атомных или молекулярных ячеек, образующих правильную решетку. Эти ячейки, повторяющиеся по всему пространству кристалла, называются элементарными ячейками кристаллической решетки. В любой элементарной ячейке существует полный набор атомов, регулярно расположенных в определенном порядке. К кристаллическим телам относятся многие твердые тела, но есть твердые тела, которые не имеют упорядоченного строения. Такие вещества называются аморфными. Примером аморфного тела является сажа.

     Жидкости  имеют некоторую упорядоченность, простирающуюся на расстояние нескольких атомов или молекул – ближний порядок. В газах расположение частиц совершенно неупорядоченно. Можно сказать, что частицы, составляющие кристаллические тела, располагаются упорядоченно. Синонимом упорядоченности является понятие структуры, т.е. твердое кристаллическое тело обладает структурой. Газы и аморфные тела не имеют структуры.

          Жидкости занимают промежуточное  положение между твердыми кристаллическими телами и газами. Они имеют ближний порядок или обладают локальной структурой и не имеют глобальной структуры. Различные жидкости обладают большей или меньшей степенью упорядоченности. Существуют жидкие кристаллы, которые имеют дальний порядок в некоторых направлениях, по другим направления упорядоченность у них полностью отсутствует. Их можно считать твердыми телами в одних направлениях, а по другим они являются жидкостями. Такие необычные свойства жидких кристаллов позволяет широко их использовать в электронике. 
 

     Заключение. 

     Развитие  представлений о природе теплоты, безусловно было сложным историческим процессом. Ученые шли методом проб и ошибок. Вначале была создана многое объясняющая, но неверная по своей природе теория теплорода, которой придерживались даже такие гениальные ученые, как, например Джоуль, Дальтон, Фурье, Клаузиус.