Паровой двигатель и становление термодинамики в XIX веке

Введение
Термодинамика - раздел прикладной физики или теоретической теплотехники, в котором исследуется превращение движения в теплоту и наоборот. В термодинамике рассматриваются не только вопросы распространения теплоты, но и физические и химические изменения, связанные с поглощением теплоты веществом, а также, наоборот, выделение теплоты в ходе физических и химических превращений.
Термодинамика находит широкое применение в физической химии и химической физике при анализе физических и химических процессов, в современной физиологии и биологии, в двигателестроении, теплотехнике, авиационной и ракетно-космической технике.
Паровой двигатель внес большой вклад в развитие термодинамической теории; однако, только применение научной теории, которые повлияли на паровой двигатель были оригинальные концепции использования силы пары и атмосферного давления и знания свойств тепла и пару.
Паровая машина была практически единственным универсальным двигателем и сыграла огромную роль в развитии человечества.
Изобретение паровой машины послужило толчком для дальнейшего развития средств передвижения. В течение ста лет она была единственным промышленным двигателем, универсальность которого позволяла использовать ее на предприятиях, железных дорогах и на флоте.
Становление термодинамики в 19 веке
В развитии термодинамики в XIX веке ученые выделяют три периода, каждый из которых имел свои отличительные свойства:
Первый период. Этот этап в становлении термодинамики напрямую связан с именем Карно, который в 1824 году в работе "Размышления о движущей и нестабильной силе огня" по существу сформулировал первое и второе термодинамические начала.
Второй период приблизительно продолжился до середины XIX столетия и выделяется научными трудами выдающихся физиков Европы таких, как англичанин Дж. Джоуль, немецкий исследователь Готлиб, известный под псевдонимом Р. Клаузиус и У. Томсон. Этих же идей и теорий в конце XVIII веке придерживался русский исследователь М.В. Ломоносов.
Третье поколение термодинамики открывает известный австрийский ученый и член Санкт-Петербургской Академии Наук Людвиг Больцман, которые с помощью многочисленных экспериментов установили взаимосвязь механической и тепловой формы движения, доказав, что в основе теплоты в первую очередь лежит механическое движение молекул и атомов.
Далее развитие термодинамики не стояло на месте, а продвигалось ускоренными темпами. Так, американец Гиббс создал в 1897 году химическую термодинамику, то есть сделал физическую химию абсолютно дедуктивной наукой. Этот изобретатель ввел в науку понятие свободной энергии, демонстрирующей, какое количество внутренней энергии возможно получить в результате действия химической реакции. Немецкий естествоиспытатель, Герман Гельмгольц связал также свои опыты с оптикой, электродинамикой, теплотой и гидродинамикой. Закон сохранения энергии как основной этап в развитии термодинамике Закон сохранения энергии
Во второй четверти 19 столетие в развитии физики тепловых процессов был введен закон сохранения и превращения энергии. Всё большее внимание исследователи начали уделять изучению физических процессов превращения теплоты в работу, появлялись и развивались идеи о трансформации сил природы в иные вещества. Исследованием законом сохранения и эквивалентности теплоты занимались такие физики как Майер, Джоуль, Ленц. Майер, которые установили, что пришли коэффициенты теплоты и работы системы функционируют независимо друг от друга. Когда было признано, что теплота представляет собой систематическое движение, науке нужно было тщательно рассмотреть характер этого явления. В ходе решения поставленной проблемы начала стремительно развиваться кинетическая теория идеальных газов, далее эта гипотеза превратилась в новую сферу физической науки - статистическую физику. Дальнейшее становление кинетической теории теплоты и термодинамики напрямую связано с именем выдающегося австрийского физика Л. Больцмана. Исследователь привел модернизированный вариант доказательства закона распределения скоростей молекул химических веществ, также вывел формулу для идеального газа и первым экспериментально доказал Н-теорему, согласно которой любой элемент, находящийся в нестационарном состоянии, постепенно со временем переходит в состояние термодинамического равновесия. Свое учение Больцман истолковал как факт наличия статистического характера второго начала термодинамики.
Ещё одним важным и обсуждаемым вопросом, непосредственно связанным с развитием термодинамики, были рассуждения ученых на тему о тепловой смерти вселенной. Клаузиус и Томсон уверяли, что второй термодинамический закон возможно распространить абсолютно в любом пространстве и пришли к выводу о её тепловой смерти. Многие физики не соглашались с их точкой зрения. Согласно данному предположению, рассеяние теплоты в окружающей среде с течением времени автоматически приведет к тому, что все физические тела Вселенной окажутся в состоянии термодинамического равновесия. В результате, температура всех веществ станет одинаковой, поэтому другие виды энергии из уже имеющихся получить не удастся. Концепция "тепловой смерти" имеет физический и философский смысл. Нелепые выводы относительно "непродолжительной жизни" Вселенной, конечно же, одобрили жрецы религии, так как библейская легенда о возникновении мира и о его конце однозначно получила научное подтверждение.
Теорию "тепловой смерти" также подхватили философы идеалистического толка и теологи. Несмотря на многочисленные осуждения, попытки материалистически мыслящих физиков обнаружить ошибку в идеях Томсона и Клаузиуса долго не удавалось. Первым ученым, кто окончательно разрешил вопрос о "тепловой смерти", был австрийский изобретатель Л. Больцман. Создавая статистическую трактовку ключевых положений термодинамики, он констатировал, что результаты коллег неверны. И причин этому он назвал сразу несколько: во-первых, нельзя считать справедливым мнение о том, что Вселенная представляет собой только изолированную систему; во-вторых, второе термодинамическое начало вследствие своего статистического характера возможно применить только к большому количеству однородных объектов, поэтому энтропия может уменьшаться в нескольких молекулах; в-третьих, законы термодинамики и их статистическая интерпретация, разработано для молекул, а Вселенная представляет собой другие тела - звезды, планеты, звездные скопления, галактики, следовательно, переносить закономерности мира молекул на иные объекты, составляющие Вселенную, совершенно необоснованным

. Полученные Томсоном и Клаузиусом результаты противоречат первому началу термодинамики, в котором утверждается невозможность уничтожения движения, в количественном и качественном аспекте. Концепция "тепловой смерти" Вселенной, созданная физиками, ими же была вскоре и похоронена.
Наиболее важные исследования теплоты в первой половине XIX века проводились с практической целью улучшить работу паровой машины. Английский изобретатель Джеймс Уатт (1736–1819) с предельной практичностью сформулировал задачу: сколько угля требуется, чтобы получить определенную работу, и какими способами при заданной величине работы можно свести к минимуму количество расходуемого горючего?
За исследование этой практической проблемы взялся молодой инженер Сади Карно.
Если исходить из первого закона термодинамики, то можно допустить протекание любого процесса, который не противоречит закону сохранения энергии. В частности, при теплообмене можно было бы предположить, что теплота может передаваться как от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой, так и наоборот. При этом согласно первому закону термодинамики накладывается только одно условие: чтобы количество теплоты, отданной одним телом, равнялось количеству теплоты, принятой другим телом.
Между тем из опыта известно, что теплота всегда самопроизвольно передается только от более нагретых тел к менее нагретым, т.е. самопроизвольный или естественный процесс теплообмена обладает свойством направленности в сторону тел с более низкой температурой, причем он прекращается при достижении равенства температур участвующих в теплообмене тел.
Возможен и обратный, не самопроизвольный (искусственный) процесс передачи теплоты от менее нагретых тел к более нагретым (например в холодильных установках), но для осуществления его требуется подвод энергии извне.
Констатация этой особенности теплоты, проявляющейся в процессе ее передачи, является одной из сторон сущности второго закона термодинамики.
Сади Карно был сыном своего века. Его теоретические исследования отвечали на конкретный вопрос, поставленный развивающейся промышленностью: как сделать тепловой двигатель более экономичным. Результаты своих исследований он подытожил в работе, вышедшей в 1824 г., «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (об этой работе уже упоминалось выше в 1.2). Появление этой небольшой работы стало началом нового этапа в истории физики не только благодаря полученным в ней результатам, но и благодаря примененному методу, который впоследствии использовался бесчисленное множество раз. В основу своего рассмотрения Карно положил невозможность осуществления вечного двигателя.
С помощью мысленного эксперимента Карно доказал, что если исходить из невозможности вечного двигателя, то для получения работы необходимо иметь в машине два тела с различными температурами, причем теплород должен переходить от тела с более высокой температурой к телу с более низкой. Уподобляя теплород воде, а разность температур – разности уровней воды, Карно заключает, что как при падении воды работа измеряется произведением веса воды на разность уровней, так и в паровой машине работа независимо от природы рабочего вещества (вода, спирт и т. д.) измеряется произведением количества теплорода на разность температур.
В 1824 году Карно высказал гениальную мысль: для производства работы в тепловой машине необходима разность температур, необходимы два источника теплоты с различными температурами. Иными словами, отдача тепловой машины ограничена значениями температур нагревателя и холодильника. Как подчеркивает Карно, холодильник – столь же необходимый элемент, как и котел, причем если в машине не предусмотрен специальный охлаждающий элемент, то его роль играет окружающая среда. Все это и представляет собой суть «принципа Карно», или второго начала термодинамики, как он стал называться позже, после того как этому разделу физики было придано аксиоматическое построение.
Клаузиусу пришлось защищать принцип Карно (второе начало термодинамики) от многочисленных атак. Он вывел его из другого постулата, который представляется интуитивно более очевидным, чем принятый Карно. Новый постулат Клаузиуса гласит, что теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему без участия третьего тела. Слово «самопроизвольно» стоит здесь, чтобы указать, что если иногда такой переход имеет место, как, скажем, в растворах, в холодильных машинах и т. п., то он в известном смысле «вынужденный», т. е. сопровождается другим, компенсирующим, явлением. Этому новому постулату Клаузиуса вскоре были даны другие эквивалентные формулировки: явления природы необратимы; явления происходят так, что энергия всегда вырождается, и т. п.
В наиболее общем виде второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Все прочие формулировки второго закона являются частными случаями этой наиболее общей формулировки.
У. Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1851 году следующую формулировку второго закона термодинамики: невозможно при помощи неодушевленного материального агента получить от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов.
Mакс Планк дал такую формулировку: невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к поднятию некоторого груза и охлаждению теплового источника. Под периодически действующей машиной следует понимать двигатель, непрерывно (в циклическом процессе) превращающий тепло в работу. В самом деле, если бы удалось построить тепловой двигатель, который просто отбирал бы тепло от некоторого источника и непрерывно (циклично) превращал его в работу, то это противоречило бы сформулированному ранее положению о том, что работа может производиться системой только тогда, когда в этой системе отсутствует равновесие (в частности, применительно к тепловому двигателю, когда в системе имеется разность температур горячего и холодного источников).
Если бы не существовало ограничений, накладываемых вторым законом термодинамики, то это означало бы, что можно построить тепловой двигатель при наличии одного лишь источника тепла. Такой двигатель мог бы действовать за счет охлаждения, например, воды в океане. Этот процесс мог бы продолжаться до тех пор, пока вся внутренняя энергия океана не была бы превращена в работу. Тепловую машину, которая действовала бы таким образом, немецкий физикохимик В