Что такое качество тепла. Термодинамическая поверхность Гиббса для водорода

Страницы работы

Содержание работы

ЭНТРОПИЯ

ЧТО ТАКОЕ КАЧЕСТВО ТЕПЛА

Понятия, о которых говорилось до сих пор, так или иначе знакомы всем. По крайней мере, каждый может сказать, что он знает или думает о теплоте, температуре, давлении, энергии. Но если «человека с улицы» попросить объяснить, что такое энтропия, он может просто не понять, о чём речь. Что же означает понятие «энтропия»? И вообще, когда, как и зачем его ввели в научный обиход?

Происходит это слово от греческого «тропе» — «превращение». Придумал его в 1865 г. Клаузиус, когда понял физический смысл функции S, которую он ввёл в 1850 г., пытаясь выразить математически то, что «теплота сама собой не может переходить от холодного тела к тёплому». Так он формулировал второй принцип своей теории теплоты, а первым у него был принцип сохранения и превращения энергии.

Но Клаузиус строил теорию не на пустом месте, а переосмысливая замечательный труд Карно. У Карно тео*Для простейшей термодинамической модели — идеального газа, заключённого в цилиндр с поршнем, работа, которую можно совершить над ним, сводится к изменению его объёма: dW= -pdV. (Знак минус появляется потому, что положительная внешняя работа совершается, когда газ сжимают, т. с. когда объём его уменьшается и величина dV отрицательна. Если же газ сам совершает работу, то величина dV положительна, но меняется знак работы W.) Таким образом, в этом случае закон сохранения энергии имеет вид dU=dQ-pdV.

190

рия теплоты покоилась на двух утверждениях: 1) теплота вещественна, и количество её сохраняется (принцип сохранения); 2) нельзя извлечь из теплоты работу при постоянной температуре: надо заставить теплоту «падать» до более низкой температуры (принцип направленности). У Клаузиуса были тоже два принципа — сохранения и направленности. Только

РУДОЛЬФ КЛАУЗИУС

Даже человек, хорошо сведущий в истории естествознания, скорее всего не сможет ответить на вопрос, кто такой Рудольф Юлиус Эмануэль Готтлиб и каков его вклад в развитие физической науки. Между тем речь идёт об одном из творцов термодинамики и кинетической теории газов Рудольфе Юлиусе Эмануэле Клаузиусе (1822— 1888), избравшем по каким-то причинам латинизированный псевдоним. Окончив Берлинский университет в 1848 г., Клаузиус затем был профессором цюрихского Политехнического института (с 1855 г.), университетов Вюрцбурга (с 1867 г.) и Бонна (1869— 1888 гг.). В Бонне его преемником по кафедре физики стал Генрих Герц.

В наше время паровые машины (часто лишь их макеты) можно увидеть только в музеях, но в XIX в. они являлись основными источниками энергии. Над усовершенствованием этих механизмов трудилась целая армия изобретателей, инженеров и учёных — практиков и теоретиков. Почётное место среди них занимает Рудольф Клаузиус, вклад которого значительно больше, чем просто решение важной, но всё-таки узкой технической задачи повышения КПД паровой машины. Он стал одним из создателей новой науки — термодинамики.

В 1850 г. Клаузиус точно сформулировал закон сохранения энергии — Первое начало термодинамики, установив соотношение между теплотой и совершаемой работой (механический эквивалент теплоты). В том же 1850 г. он, независимо от создателя технической термодинамики Уильяма Ранкина, вывел идеальный термодинамический цикл паровой машины (цикл Ранкина Клаузиуса), первым исследовал термодинамические свойства водяного пара (1851 г.). Позднее

(1856 г.) Клаузиус предложил способ повышения КПД паровой машины за счёт увеличения температуры рабочего тела.

Занимаясь изучением термодинамических явлений, учёный пришёл к заключению, что только Первого начала термодинамики недостаточно для их описания: необходим ещё один закон, позволяющий определять, в каком направлении развиваются термодинамические процессы. В 1854 г. он принял аксиому: теплота не может сама по себе переходить от более холодного тела к более тёплому. Другая (эквивалентная) формулировка принадлежит Томсону: нельзя построить вечный двигатель второго рода, т. е. двигатель, действие которого не нарушает закона сохранения энергии, но позволяет полностью превратить всю теплоту в механическую работу. Опираясь на это утверждение и введя новую физическую величину — энтропию, Клаузиус выразил Второе начало термодинамики в виде неравенства. Неравенство Клаузиуса (1862 г.) выглядит так: энтропия замкнутой (не обменивающейся с окружающей средой ни веществом, ни энергией) системы не убывает. Если процесс обратимый, энтропия остаётся постоянной, если

процесс необратимый, то энтропия возрастает. Таким образом, изменение энтропии указывает, в каком направлении протекает процесс.

Значительный вклад внёс Клаузиус в разработку кинетической теории газов. В работе «О роде движения, который мы называем теплотой», опубликованной в журнале «Анналы физики» (1857 г.), он вывел уравнение состояния газа

Похожие материалы

Информация о работе

Предмет:
Физика
Тип:
Учебные пособия
Размер файла:
2 Mb
Скачали:
0