История и методология естествознания. Кудрявцев С.П. - 39 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

двигатель – это такой двигатель, в котором происходят настолько медленные процессы, что их можно рассмат-
ривать как переходы от одного равновесного состояния к другому.
В двигателе Карно обязательно наличие нагревателя и холодильника. Карно ошибочно полагал, что тепло-
та сохраняется в процессе работы тепловой машины. Эту его ошибку удалось исправить Рудольфу Клаузиусу
(1822 – 1888) и Вильяму Томсону (1824 – 1907), открывшим второе начало термодинамики.
Рудольф Клаузиус (настоящее имя Рудольф Готтлиб, а Клаузиус – это латинское имя) родился в Кеслине в
1822 г. После окончания Берлинского университета он преподавал в Артиллерийской школе, с 1855 г. стал про-
фессором в Высшей политехнической школе в Цюрихе. В 1869 г. он переехал в Бонн, где прожил до своей
смерти в 1888 г.
Первая его работа "О движущей силе теплоты" вышла в 1850 г. В ней он проанализировал работу Сади
Карно. Клаузиус считает, что у Карно надо сохранить основное положение его работы, что теплота (у Карно
теплород) передается от тела с более высокой температуры к телу с более низкой температурой в виде нового
принципа – второго начала термодинамики. Этот принцип Клаузиус формулирует так: "Теплота в естествен-
ных условиях переходит от горячего тела к холодному; в то время как от холодного тела к горячему теплота
сама по себе не переходит". Таким образом, второе начало термодинамики говорит о направлении процесса
теплопередачи. Оно устанавливает наличие ассиметрии – однонаправленности всех происходящих в природе
самопроизвольных процессов.
Эта формулировка Клаузиуса встретила много возражений, и в защиту этого принципа выступил Вильям
Томсон, впоследствии ставший лордом и взявший имя Кельвин (по названию речки Кельвин, протекавшей
вблизи университета Глазго, где учился Томсон). Кельвин дает более общую формулировку второго начала:
"Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля получить от какой-либо массы вещества
механическую работу путем охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов".
Это Кельвинская формулировка второго начала, которому он делает примечание: "Если бы мы не признали эту
аксиому действительной при всех температурах, нам пришлось бы допустить, что можно ввести в действие ав-
томатическую машину и получить путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количест-
ве, вплоть до исчерпания всей теплоты суши и моря или в конце концов всего материального мира". Эту авто-
матическую машину Кельвина назвали "перпетуум мобиле второго рода" и принцип Кельвина стали кратко
называть, как принцип невозможности перпетуум мобиле второго рода. Свой принцип Томсон сформулировал
в статье "О динамической теории теплоты", вышедшей в 1851 г. Уже название работы говорит о новом взгляде
Томсона на природу теплоты. Это не теплород, а динамическая форма механического эффекта. Кельвин дает
выражение для коэффициента полезного действия цикла Карно. В современных обозначениях оно имеет вид:
1
21
T
TT −
=η
,
где Т
1
– температура нагревателя; Т
2
– температура холодильника. Он также ввел понятие абсолютной темпера-
туры, не зависящей от термометрического тела.
Отметим, что формулировки Клаузиуса и Кельвина второго начала термодинамики эквивалентны друг
другу.
16.1. Первое начало термодинамики
Исторически первое начало появилось позже второго. Клаузиус в работе 1854 г. дает формулировку пер-
вого начала термодинамики. В современных обозначениях она имеет вид:
Q = ∆U + A, (1)
где Q – количество теплоты, сообщенное системе, ∆U – изменение внутренней энергии; А – работа системы над
внешними телами. Если над системой совершается работа, то работа будет отрицательна. Это уравнение назы-
вается первым началом термодинамики. Это закон сохранения энергии для тепловых процессов. Внутренняя
энергия – это общая сумма энергий всех молекул системы. Изменение внутренней энергии можно определить
из уравнения (1)
Q =
∆
U – A. (2)
Количество теплоты, сообщенное системе, и работа системы зависят от типа процесса, но разность Q – A
постоянна для всех процессов, поэтому
U не зависит от процессов перехода системы из одного состояния в другое.
Клаузиус ввел понятие внутренней энергии. Эта энергия компенсировала потери тепла при совершении систе-
мой работы. У Карно теплота сохранялась постоянной. Итак Клаузиус исправляет Карно, говоря в первом нача-
ле, что сохраняется энергия, а не теплота, как у Карно. Теплота перераспределяется. Часть ее идет на соверше-
ние системой работы, а часть на изменение внутренней энергии.
16.2. Энтропия
Более общая формулировка второго начала термодинамики может быть дана с помощью физической вели-
чины, введенной Клаузиусом в 1865 г., которую он назвал энтропией (от греческого слова "тропэ" – превраще-
ние). КПД цикла Карно можно записать в следующем виде:

Страницы