Страница 33 из 57
Так, при превращении, например, льда в воду теплота расходуется, а температура при этом изменяется (лед, как и прочие тела, плавится при строго определенной температуре). Вместе с понятием количества теплоты были установлены понятия теплоемкости, удельной теплоемкости, теплоты плавления, теплоты парообразования. Опыты Румфорда были подтверждены также работами Хэмфри Дэви, показавшими, что трение двух кусков льда друг о друга может вызвать их таяние.
Несмотря на то, что кинетической теории теплоты придерживались многие ученые, господствующей на протяжении столетий являлась теплородная теория. Причина этого кроется в том, что вплоть до изготовления паровых машин и их усовершенствования ученые не интересовались вопросом о путях превращения теплоты в механическую работу. (Деятельность первых конструкторов тепловых устройств была связана с добычей топлива.
Один из первых паровых насосов, служивших для откачки воды из шахт, был сконструирован владельцем одной из шахт Англии, Томасом Сэвери, в конце XVII века Паровой насос Сэвери в усовершенствованных видах использовался вплоть до середины XVIII века. Более совершенную паровую машину построил англичанин Томас Ньюкомен, работавший вместе с Сэвери.
Машина Ньюкомена уже имела основные детали современной паровой машины — цилиндр и поршень. Главное новшество состояло в том, что в машине Ньюкомена пар давил не непосредственно на поверхность воды, а на поршень в цилиндре.) Обратные процессы превращения работы в теплоту были известны с незапамятных времен, но они, как казалось, хорошо объяснялись теплородной теорией.
Теплородной теории придерживался также Сади Карно, который первым провел исследования процессов по превращению теплоты в работу и изучение функционирования тепловых машин. С. Карно ввел понятие циклического (кругового) процесса. Наблюдая действие паровой машины, он обратил внимание, что используемый для перемещения цилиндра пар затем выпускается в среду с меньшей температурой, где он снова превращается в воду (конденсат)
, причем конденсат в дальнейшем более не используется. Карно ставит вопрос о возможности использования отработанного конденсата, о возвращении в котел, где он вновь нагреется, превратится в пар, который при своем дальнейшем расширении вновь совершит работу над поршнем. Таким образом, вода будет проходить полный цикл — ряд процессов, в результате которых возвратится в исходное состояние.
Карно также установил, что подобный непрерывный циклический процесс возможен лишь при наличии двух нагревателей: нагревателя при высокой температуре Т1 и холодильника при более низкой температуре Т1. Кроме нагревателя и холодильника необходимо рабочее тело. Рабочее тело, забирая у нагревателя количество теплоты Q 1 произведя работу, для восстановления своих исходных параметров (для обеспечения непрерывности цикла)
должно отдать некоторое количество теплоты Q 2 холодильнику. Основываясь на теплородной теории теплоты, Карно полагал, что «падение теплородной субстанции», обусловленное разностью температур нагревателя и холодильника, аналогично падению воды с более высокого уровня на низкий. Так что работа определяется перепадом между температурами теплорода в нагревателе и холодильнике.
Однако, считая теплород сохраняющейся субстанцией, Карно пришел к ошибочному выводу, что все количество теплоты Q 1, взятое у нагревателя, отдается холодильнику. Карно ввел для характеристики тепловой машины понятие коэффициента полезного действия (КПД), рассматриваемого как отношение работы, совершаемой рабочим телом, к количеству теплоты Q1 взятой у нагревателя: КПД = (A /Q 1)100% .
Хотя Сади Карно не определил величину КПД идеальной обратимой машины, и сама его книга [38] содержит в себе всего 45 страниц, но Карно пришел к совершенно верному выводу о том, что КПД идеальной машины зависит только от температур нагревателя и холодильника, а КПД любой другой машины всегда меньше КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно положил начало новому методу рассмотрения превращения теплоты и работы друг в друга в макроскопических системах, в первую очередь в тепловых машинах, и тем самым явился основателем науки, которая впоследствии была названа Уильямом Томсоном «термодинамикой».
Законы термодинамики Уже после смерти Сади Карно, в 1850 году, Клаузиус дал новое строго математическое описание цикла Карно с точки зрения сохранения энергии. Клаузиус определяет, что при работе тепловой машины не все количество теплоты, взятое у нагревателя, передается холодильнику. Часть этой теплоты превращается в работу, совершаемую машиной.
Клаузиус первым высказал мысль об эквивалентности работы и количества теплоты как о первом начале термодинамики и записал уравнение, которое не содержалось в работе Карно. Надо было сделать вывод о том, что всякое тело имеет внутреннюю энергию, которую Клаузиус называл «теплом, содержащимся в теле» (U ), в отличие от «тепла, сообщенному телу» (Q ).
Величину U можно увеличить двумя эквивалентными способами — произведя над телом механическую работу (А) или сообщая ему количество теплоты (Q ); U =A +Q Согласно первому началу термодинамики количество теплоты, отдаваемое рабочим телом холодильнику Q 1 , должно быть меньше количества теплоты, взятого у нагревателя Q 2 на величину произведенной работы: А= Q 1 - Q 2.
Напомним, что анализ Карно, основанный на представлениях о теплороде, предполагает равенство Q 1 и Q 2. Однако одного первого начала термодинамики недостаточно для объяснения работы тепловой машины. Клаузиус показал, что объяснение превращения теплоты в работу основывается еще на одном принципе, сформулированном Карно, утверждающем, что в любом непрерывном процессе превращения теплоты горячего нагревателя в работу должна происходить отдача теплоты холодильнику.
Таким образом, имеет место общее свойство теплоты, заключающееся в том, что теплота «всегда обнаруживает тенденцию к уравниванию температурной разницы путем перехода от теплых тел к холодным». Это положение Клаузиус предлагает назвать «вторым основным положением механической теории теплоты». В 1852 году Уильям Томсон пришел к аналогичным выводам.
Он указал на существование в природе универсальной тенденции к деградации механической энергии. В 1860 году Уильям Томсон, заменив термином «энергия» устаревший термин «силы», записывает первое начало термодинамики, которое он называет «основным положением механической теплоты»: количество теплоты, сообщенное газу = увеличению внутренней энергии газа + совершение внешней работы.
Следует еще раз подчеркнуть важное значение установления эквивалентности теплоты и работы. Понимание количества теплоты как меры изменения внутренней энергии утверждало закон сохранения и превращения энергии. Значение работ Клаузиуса и Томсона трудно переоценить. Их работы были основаны на принципе Карно, а также на концепции Майера, Джоуля, Кольдинга о сохранении энергии.
В поисках связей между различными формами движения материи было выработано само понятие энергии. Энергия определяется как единая мера различных форм движения. Энергия проявляется во множестве различных форм. Переход энергии из одной формы в другую означает, что энергия в данной ее форме исчезает, превращается в энергию в иной форме. И вот тут-то кроется самое главное, что определяет энергию как фундаментальное понятие естествознания.
Оказывается, что при любых процессах, происходящих в изолированной системе, полная энергия системы не изменяется, то есть переход энергии из одной формы в другую происходит с соблюдением количественной эквивалентности. Для количественной характеристики различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепловая)
, электромагнитная, химическая, ядерная и т. д. Закон сохранения энергии — это закон, управляющий всеми явлениями природы; исключений из него науке неизвестно. Для тепловых процессов этот закон утверждается первым началом термодинамики. Взяв оба начала термодинамики за исходные, Клаузиус получил выражение для КПД идеальной тепловой машины: КПД = (Тнагревателя – Т холодильника) / Т нагревателя = (Т1 –Т2)