Краткий экскурс в историю термодинамики.

Как наука об энергии и ее превращении термодинамика начала складываться в такой исторический период, когда мир физических наук еще не был озарен законом сохранения энергии и даже не были известны ни термин «энергия», ни сущность теплоты. Сложные закономерности превращения энергии, открытие которых происходило постепенно и ценой больших усилий, не сразу становились ясными и очевидными. Они подвергались критике, иногда со стороны крупных ученых, и получали признание нередко через многие годы и даже через десятилетия. Путь формирования и развития классической термодинамики был очень непростым. Он делится условно на три этапа длительностью приблизительно нолстолетия каждый.

Первый этап — первая половина XIX в. Происходит накопление опытных и теоретических знаний. В 1824 г. выходит в свет эпохальный труд С. Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Этот год принято считать годом рождения термодинамики. Хотя нельзя не сказать, что С. Карно придерживается еще вещественной концепции теплоты. Только в последние годы жизни он пришел к тому, что тепло — это движение частиц тела, т.е. то, что в наше время называется энергией теплового движения. Теперь теплотой называется энергия, передаваемая под действием разности температур.

Второй этап — вторая половина XIX в. Публикуется основополагающая работа Р. Клаузиуса «О движущей силе теплоты и о законах, которые можно отсюда получить для теории теплоты» (1850). Автор вводит понятие энтропии и разрабатывает второе начало термодинамики. Через 15 лет Клаузиус приводит «измененное обоснование второго начала», основанное на конкретных энергетических представлениях, путем введения «эквивалента превращения». Эта работа опередила свою эпоху, поэтому не могла получить достойную оценку современников, не найдя отражения ни в научной, ни в учебной литературе. И только теперь она отвечает требованиям времени.

Независимо от Клаузиуса в этот период успешно занимаются исследованием термодинамики Дж. Уатт, У. Томсон (лорд Кельвин), Дж. Максвелл, Л. Больцман и др.

К концу XIX в. термодинамика, именуемая классической, закончила свое формирование. Однако новое поколение ученых испытывало неудовлетворение основами, на которых базировалась термодинамика.

Наступает третий этап — первая половина XX в. Идет поиск таких новых аксиом, которые могли бы служить более надежным основанием второго начала и с большей отчетливостью определяли бы логическую стройность курса. Аксиоматикой термодинамики занимались Н. Н. Шиллер, К. Кара- теодори, Т. А. Афанасьева-Эренфест и др. Наряду с этим развиваются основные положения термодинамики благодаря широкому применению ее методов для анализа явлений химической и биологической энергетики.

Феноменологическая термодинамика в том виде, в каком она была создана классиками и дошла до наших дней, представляет собой величественную систему научных знаний, отличающуюся научной строгостью и завершенностью логических построений. Обладая тонким и универсальным методом анализа, она сыграла ключевую роль в развитии теплотехники (в частности, теплоэнергетики) и, кроме того, оказалась источником возникновения и развития многих фундаментальных наук XX в., точнее, источником двух научных направлений, давших две ветви наук:

  • первое направление. Исследуя методами второго начала термодинамики свойства излучения абсолютно черного тела, М. Планк открыл «квант действия» и создал тем самым квантовую механику. Это позволило Н. Бору разработать современную модель атома и дать тем самым современные представления о строении вещества. Эти достижения послужили основой для стремительного развития физической и квантовой химии, помогли выйти биологии на молекулярный уровень и стать точной наукой, из науки умозрительной и описательной. На той же основе возникла теория квантовых электромагнитных генераторов (лазеров и мазеров);
  • второе направление. Исследование Л. Больцманом свойств идеального газа привели его к статистической термодинамике. Развитие статистического математического аппарата и физических представлений определило возникновение математической статистики и статистической механики, теории вероятностей, теории информации и кибернетики.

В развитии наук второго направления сработала «обратная связь»: в 1948 г. в реферативном журнале американской телефонной компании Bell System была опубликована статья К. Шеннона «Математическая теория связи»[1], в которой устанавливалась связь между термодинамикой (понятие энтропии) и информатикой. Идеи, заложенные в данной книге, получили дальнейшее развитие в работах отечественных и зарубежных ученых[2].

Несмотря на столь значительные прогрессивные сдвиги в науке, совершенные благодаря мощному методу термодинамического анализа, возможности термодинамики еще далеко не исчерпаны. Ее метод находит все более широкое применение в самых разных областях науки и техники. И это понятно: являясь наукой физической, термодинамика отличается от всех других разделов физики тем, что проникает во все ее сферы. По первоначальному смыслу классическая термодинамика, созданная трудами Карно, Клаузиуса, Томсона и др., — это наука о тепловых процессах, идущих в условиях равновесия всех сил. Применение термодинамического метода к исследованию неравновесных процессов породило новое направление — термодинамику неравновесных (или необратимых) процессов, в связи с чем классическую термодинамику стали иногда называть термостатикой.

Развитие физических и химических наук и использование в них термодинамического метода исследования привело к разделению термодинамики на отдельные специальные области. Таким образом были созданы:

  • физическая, или общая, термодинамика, изучающая свойства твердых, жидких и газообразных тел, а также наиболее общие законы превращения энергии (электрические, капиллярные и т.д.);
  • химическая термодинамика, изучающая химические и физико-химические процессы, их тепловой эффект, а также свойства и поведение растворов и т.п.;
  • техническая термодинамика, рассматривающая приложение законов термодинамики к преобразованию теплоты в работу.

Ниже будут рассматриваться в основном вопросы технической термодинамики.

  • [1] Шеннон К. Математическая теория связи // Шеннон К. Работы по теории информатикии кибернетике. М.: Изд-во иностр. лит., 1963.
  • [2] См., например: Бриллюэн Л. Наука и теория информации. М.: Физматгиз, 1960; Поплав-ский Р. П. Термодинамика информационных процессов. М.: Наука, 1981; и др.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >