История термодинамики — фундаментальное направление в истории физики , истории химии и истории науки в целом. Благодаря значимости термодинамики для большей части науки и техники , ее история тонко переплетена с развитием классической механики , квантовой механики , магнетизма и химической кинетики , а также с более отдаленными прикладными областями, такими как метеорология , теория информации и биология ( физиология) . ), а также к технологическим разработкам, таким как паровой двигатель , двигатель внутреннего сгорания , криогеника и производство электроэнергии . Развитие термодинамики стимулировалось и направлялось атомной теорией . Это также, хотя и в неявной форме, мотивировало новые направления в теории вероятностей и статистике ; см., например, хронологию термодинамики .
Древние рассматривали тепло как нечто, связанное с огнем. В 3000 году до нашей эры древние египтяне считали тепло связанным с мифологией происхождения. [1] Древнеиндийская философия, включая ведическую философию, считала, что пять классических элементов (или панча маха бхута) являются основой всех космических творений. [2] В западной философской традиции, после долгих споров о первоэлементе среди ранних философов-досократиков , Эмпедокл предложил теорию четырех элементов, в которой все вещества происходят из земли , воды , воздуха и огня . Элемент огня Эмпедокла, возможно, является основным предком более поздних концепций, таких как флогистон и теплород . Около 500 г. до н.э. греческий философ Гераклит прославился как философ «потока и огня» благодаря своему пословичному высказыванию: «Все вещи текут». Гераклит утверждал, что тремя основными элементами природы являются огонь, земля и вода.
Греческий философ V века до нашей эры Парменид в своей единственной известной работе, стихотворении, условно озаглавленном «О природе» , использует словесные рассуждения, чтобы постулировать, что пустота, по сути, то, что сейчас известно как вакуум , в природе не может возникнуть. Эта точка зрения была поддержана доводами Аристотеля , но подверглась критике со стороны Левкиппа и Героя Александрийского . От античности до средневековья выдвигались различные аргументы в пользу или неодобрения существования вакуума, было предпринято несколько попыток создать вакуум, но все они оказались безуспешными.
Атомизм является центральной частью сегодняшних отношений между термодинамикой и статистической механикой. Древние мыслители, такие как Левкипп и Демокрит , а позднее эпикурейцы , продвигая атомизм, заложили основы более поздней атомной теории . До тех пор, пока в 20 веке не было получено экспериментальное доказательство существования атомов , атомная теория основывалась в основном на философских соображениях и научной интуиции.
Европейские ученые Корнелиус Дреббель , Роберт Фладд , Галилео Галилей и Санторио Санторио в 16 и 17 веках смогли измерить относительную « холодность » или « жаркость » воздуха, используя элементарный воздушный термометр (или термоскоп ). Возможно, на это повлияло более раннее устройство, которое могло расширять и сжимать воздух, созданное Филоном Византийским и Героем Александрийским .
.jpg/1280px-Portrait_of_Francis_Bacon_(cropped).jpg)
Идея о том, что тепло — это форма движения , возможно, древняя и наверняка обсуждалась английским философом и учёным Фрэнсисом Бэконом в 1620 году в его «Новом органе» . Бэкон предположил: «Само тепло, его сущность и сущность есть движение и ничего больше». [3]
2.jpg/1280px-Frans_Hals_-_Portret_van_Ren%C3%A9_Descartes_(cropped)2.jpg)
В 1637 году в письме голландскому учёному Христиану Гюйгенсу французский философ Рене Декарт писал: [4]
Поднять 100 фунтов на одну ногу дважды — это то же самое, что поднять 200 фунтов на одну ногу или 100 фунтов на две ноги.
В 1686 году немецкий философ Готфрид Лейбниц писал, по сути, то же самое: Чтобы поднять тело А массой 1 фунт (весы) на высоту 4 ярда (локтевые кости), необходима та же самая сила («работа» в современном понимании). поднять тело Б массой 4 фунта на высоту 1 ярд. [5]
В «Принципах философии» ( Principia Philosophiae ) 1644 года Декарт определил «количество движения» ( лат . quantitas motus ) как произведение размера и скорости [6] и заявил, что общее количество движения во Вселенной сохраняется. [6] [7]
Если x в два раза больше y и движется вдвое быстрее, то в каждом из них наблюдается одинаковое количество движения.
[Бог] создал материю вместе с ее движением… просто позволяя вещам идти своим чередом, он сохраняет то же количество движения… которое он заложил вначале.
Он утверждал, что, просто позволяя вещам идти своим чередом, Бог сохраняет то же количество движения, которое Он создал, и что, таким образом, сохраняется общее количество движения во Вселенной. [8]
Ирландский физик и химик Роберт Бойль в 1656 году совместно с английским учёным Робертом Гуком построил воздушный насос. Используя этот насос, Бойль и Гук заметили корреляцию давления и объема: PV = константа. В то время воздух считался системой неподвижных частиц, а не интерпретировался как система движущихся молекул. Концепция теплового движения появилась два столетия спустя. Поэтому в публикации Бойля 1660 года говорится о механической концепции: воздушной пружине. [9] Позже, после изобретения термометра, температуру свойства можно было определить количественно. Этот инструмент дал Гей-Люссаку возможность вывести свой закон, который вскоре привел к закону идеального газа .
.jpg/1280px-Portrait_of_Denis_Papin_(cropped).jpg)
Денис Папен , соратник Бойля, построил в 1679 году варочный котел для костей, который представляет собой закрытый сосуд с плотно закрывающейся крышкой, удерживающей пар до тех пор, пока не будет создано высокое давление. В более поздних конструкциях был реализован клапан выпуска пара, чтобы машина не взорвалась. Наблюдая за ритмичным движением клапана вверх и вниз, Папен придумал идею поршневого и цилиндрического двигателя. Однако он не реализовал свой замысел. Тем не менее, в 1697 году, основываясь на проектах Папена, Томас Ньюкомен значительно усовершенствовал более раннюю «пожарную машину» инженера Томаса Савери , включив в нее поршень. Это сделало его пригодным для выполнения механических работ в дополнение к перекачке воды на высоту более 30 футов, и поэтому его часто считают первым настоящим паровым двигателем.
.tiff/lossy-page1-1280px-Edmond_Halley,_1656-1742,_Astronomer_Royal_RMG_BHC2734_(cropped).tiff.jpg)
Явление теплопроводности сразу схватывается в повседневной жизни. Тот факт, что теплый воздух поднимается вверх, и важность этого явления для метеорологии впервые осознал Эдмонд Галлей в 1686 году. [10]
В 1701 году сэр Исаак Ньютон опубликовал свой закон охлаждения .
Теория флогистона возникла в 17 веке, в конце периода алхимии. Замена ее теорией теплорода в XVIII веке является одним из исторических маркеров перехода от алхимии к химии. Флогистон — гипотетическое вещество, которое, как предполагалось, выделялось из горючих веществ при горении и из металлов в процессе ржавления .
В 1702 году Гийом Амонтон ввел понятие абсолютного нуля, основанное на наблюдениях за газами .
.jpg/1280px-Mikhail_Lomonosov_by_L._Miropolskiy_after_G._C._Prenner_(1787).jpg)
Первое письменное научное размышление о микроскопической природе тепла можно найти, вероятно, в работе Михаила Ломоносова , в которой он писал:
В эти же годы Даниил Бернулли опубликовал книгу «Гидродинамика» (1738), в которой вывел уравнение давления газа с учетом столкновений его атомов со стенками сосуда. Он доказал, что это давление составляет две трети средней кинетической энергии газа в единице объема. [ нужна цитата ] Идеи Бернулли, однако, мало повлияли на доминирующую калорическую культуру. Бернулли установил связь с принципом vis viva Готфрида Лейбница , ранней формулировкой принципа сохранения энергии , и эти две теории стали тесно переплетаться на протяжении всей своей истории.
.jpg/1280px-Black_Joseph_(cropped).jpg)
Тела были способны удерживать определенное количество этой жидкости, что привело к появлению термина теплоемкость , названного и впервые исследованного шотландским химиком Джозефом Блэком в 1750-х годах. [11]
В середине-конце XIX века тепло стало пониматься как проявление внутренней энергии системы . Сегодня тепло рассматривается как передача неупорядоченной тепловой энергии. Тем не менее, по крайней мере, в английском языке термин теплоемкость сохранился. В некоторых других языках предпочтение отдается термину « тепловая мощность» , а также иногда он используется в английском языке.
До 1698 года и изобретения двигателя Савери лошади использовались для привода шкивов, прикрепленных к ведрам, которые поднимали воду из затопленных соляных шахт в Англии. В последующие годы были построены новые варианты паровых двигателей , такие как двигатель Ньюкомена , а позже двигатель Ватта . Со временем эти первые двигатели в конечном итоге будут использоваться вместо лошадей. Таким образом, каждый двигатель стал ассоциироваться с определенным количеством «лошадей» в зависимости от того, сколько лошадей он заменил. Основная проблема этих первых двигателей заключалась в том, что они были медленными и неуклюжими, преобразуя в полезную работу менее 2% входного топлива . Другими словами, нужно было сжечь большое количество угля (или древесины), чтобы получить лишь небольшую часть объема работы. Отсюда родилась потребность в новой науке о динамике двигателей.
В середине-конце 18 века считалось, что тепло является мерой невидимой жидкости, известной как теплотворная способность . Как и флогистон, калория считалась «веществом» тепла, которое перетекало от более горячего тела к более холодному, согревая его таким образом. Однако полезность и объяснительная сила кинетической теории вскоре начали вытеснять теорию теплорода. Тем не менее, Уильям Томсон , например, еще в 1850 году все еще пытался объяснить наблюдения Джеймса Джоуля в рамках теории калорий. К концу XIX века теория калорийности в значительной степени устарела.
2.jpg/1280px-David_-_Portrait_of_Monsieur_Lavoisier_(cropped)2.jpg)
Джозеф Блэк и Антуан Лавуазье внесли важный вклад в точное измерение тепловых изменений с помощью калориметра — предмет, который стал известен как термохимия . При разработке паровой машины внимание было сосредоточено на калориметрии и количестве тепла, выделяемого из разных видов угля . Первое количественное исследование изменения тепла во время химических реакций было инициировано Лавуазье с использованием ледяного калориметра после исследований Джозефа Блэка по скрытой теплоте воды.
Карл Вильгельм Шееле в 1777 году отличил передачу тепла посредством теплового излучения (лучистого тепла) от передачи тепла посредством конвекции и проводимости.
.jpg/1280px-Physicist_Pierre_Pr%C3%A9vost_(cropped).jpg)
В 17 веке стало считать, что все материалы обладают одинаковой проводимостью и что различия в ощущениях возникают из-за их разной теплоёмкости . Предположения о том, что это может быть не так, пришли из новой науки об электричестве , в которой было легко очевидно, что некоторые материалы являются хорошими электрическими проводниками, а другие — эффективными изоляторами. Ян Инген-Хоус в 1785–1789 годах провел некоторые из самых ранних измерений, как и Бенджамин Томпсон в тот же период.
В 1791 году Пьер Прево показал, что все тела излучают тепло, независимо от того, насколько они горячие или холодные. В 1804 году сэр Джон Лесли заметил, что матовая черная поверхность излучает тепло более эффективно, чем полированная поверхность, что указывает на важность излучения черного тела .
В 19 веке учёные отказались от идеи физической калорийности. Первые существенные экспериментальные вызовы теории теплорода возникли в работе Бенджамина Томпсона (графа Рамфорда) 1798 года, в которой он показал, что просверленные чугунные пушки производят большое количество тепла, которое он приписывал трению . Его работа была одной из первых, разрушивших теорию калорийности.
В результате своих экспериментов в 1798 году Томпсон предположил, что тепло является формой движения, хотя не было предпринято никаких попыток примирить теоретические и экспериментальные подходы, и маловероятно, что он имел в виду принцип vis viva .
.jpeg/1280px-Sadi_Carnot_(cropped).jpeg)
Хотя первые паровые машины были грубыми и неэффективными, они привлекли внимание ведущих ученых того времени. Одним из таких учёных был Сади Карно , «отец термодинамики», который в 1824 году опубликовал «Размышления о движущей силе огня » — рассуждения о теплоте, мощности и эффективности двигателей. Большинство называют эту книгу отправной точкой для термодинамики как современной науки. (Название «термодинамика», однако, появилось только в 1854 году, когда британский математик и физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) ввёл термин « термодинамика» в своей статье «О динамической теории тепла» .) [12]
Карно определил «движущую силу» как выражение полезного эффекта , который способен произвести двигатель. Здесь Карно познакомил нас с первым современным определением « работы »: вес, поднятый на высоту . Желание понять посредством формулировки этот полезный эффект по отношению к «работе» лежит в основе всей современной термодинамики.
Несмотря на то, что Карно работал над теорией теплорода, в 1824 году он предположил, что часть теплоты, доступной для совершения полезной работы, теряется в любом реальном процессе.
Хотя это и было заподозрено в работах Шееле, в 1831 году Маседонио Меллони продемонстрировал, что лучистое тепло может отражаться , преломляться и поляризоваться так же, как свет.
Джон Херапат независимо сформулировал кинетическую теорию в 1820 году, но ошибочно связал температуру с импульсом , а не с vis viva или кинетической энергией . Его работа в конечном итоге не прошла экспертную оценку даже со стороны такого человека, столь хорошо относящегося к кинетическим принципам, как Хамфри Дэви , и была проигнорирована.
Джон Джеймс Уотерстон в 1843 году предоставил в значительной степени точный отчет, опять же независимо, но его работа получила такой же прием, не получив экспертной оценки.
Дальнейший прогресс в кинетической теории начался только в середине 19 века, с работами Рудольфа Клаузиуса , Джеймса Клерка Максвелла и Людвига Больцмана .
Количественные исследования Джоуля, начиная с 1843 года, предоставили хорошо воспроизводимые явления и помогли поставить предмет термодинамики на прочную основу. В 1843 году Джоуль экспериментально нашел механический эквивалент тепла . В 1845 году Джоуль сообщил о своем самом известном эксперименте, включавшем использование падающего груза для вращения гребного колеса в бочке с водой, что позволило ему оценить механический эквивалент тепла в 819 фут·фунтов/БТЕ (4,41 Дж). /кал). Это привело к теории сохранения энергии и объяснило, почему тепло может совершать работу.
Идею абсолютного нуля обобщил в 1848 году лорд Кельвин.
В марте 1851 года, пытаясь понять работу Джоуля, лорд Кельвин начал предполагать, что во всех процессах происходит неизбежная потеря полезного тепла. Идея была сформулирована еще более драматично Германом фон Гельмгольцем в 1854 году, породив призрак тепловой смерти Вселенной .
В 1854 году Уильям Джон Маккуорн Рэнкин начал использовать в расчетах то, что он назвал термодинамической функцией . Впоследствии было показано, что это идентично понятию энтропии , сформулированному знаменитым физиком-математиком Рудольфом Клаузиусом . [13]
В 1865 году Клаузиус ввёл термин « энтропия » ( das Wärmegewicht , символ S ), чтобы обозначить потерю тепла или превращение его в отходы. [14] [15] (« Wärmegewicht » буквально переводится как «тепловес»; соответствующий английский термин происходит от греческого τρέπω , «я поворачиваюсь».) Клаузиус использовал эту концепцию для разработки своего классического утверждения второго закона термодинамики. В том же году. [16]
В своей работе 1857 года « О природе движения, называемого теплотой» , Клаузиус впервые ясно утверждает, что тепло — это средняя кинетическая энергия молекул.
Приведенное выше заявление Клаузиуса заинтересовало шотландского математика и физика Джеймса Клерка Максвелла , который в 1859 году вывел распределение импульса, позже названное в его честь. Австрийский физик Людвиг Больцман впоследствии обобщил это распределение на случай газов во внешних полях. В сотрудничестве с Клаузиусом в 1871 году Максвелл сформулировал новую ветвь термодинамики, названную статистической термодинамикой , которая предназначена для анализа большого числа частиц, находящихся в равновесии , т. е. систем, в которых не происходит никаких изменений, например, только их средние свойства, такие как температура Т , давление. P и том V становятся важными.
Больцман, пожалуй, является наиболее значительным вкладчиком в кинетическую теорию, поскольку он ввел многие фундаментальные концепции теории. Помимо упомянутого выше распределения Максвелла-Больцмана , он также связал кинетическую энергию частиц с их степенями свободы . Уравнение Больцмана для функции распределения газа в неравновесных состояниях до сих пор остается наиболее эффективным уравнением для изучения явлений переноса в газах и металлах. Введя понятие термодинамической вероятности как числа микросостояний, соответствующих текущему макросостоянию, он показал, что его логарифм пропорционален энтропии.
В 1875 году австрийский физик Людвиг Больцман сформулировал точную связь между энтропией S и молекулярным движением:
определяется через число возможных состояний W , которые может занять такое движение, где k — постоянная Больцмана .
В 1876 году инженер-химик Уиллард Гиббс опубликовал малоизвестную 300-страничную статью под названием « О равновесии гетерогенных веществ» , в которой он сформулировал одно великое равенство — уравнение свободной энергии Гиббса , которое предлагало меру количества «полезной работы», достижимой в реагирующие системы.
Гиббс также создал концепцию, которую мы теперь знаем как энтальпию H , назвав ее «тепловой функцией при постоянном давлении». [17] Современное слово «энтальпия» было придумано много лет спустя Хейке Камерлинг-Оннесом , [18] который основал его на греческом слове «энтальпейн» , означающем «согревать» .
Понимание Джеймсом Клерком Максвеллом в 1862 году того, что и свет, и лучистое тепло являются формами электромагнитных волн , привело к началу количественного анализа теплового излучения. В 1879 году Йожеф Стефан заметил, что полный поток излучения абсолютно черного тела пропорционален четвертой степени его температуры, и сформулировал закон Стефана-Больцмана . Закон был теоретически выведен Людвигом Больцманом в 1884 году.
В 1900 году Макс Планк нашел точную формулу спектра излучения черного тела. Подбор новых данных потребовал введения новой константы, известной как постоянная Планка , фундаментальной константы современной физики. Если рассматривать излучение как исходящее от резонатора, находящегося в тепловом равновесии, формула предполагает, что энергия в резонаторе возникает только в кратных частотах, умноженных на константу. То есть оно квантовано. Это позволило избежать расхождения, к которому теория привела бы без квантования.
В 1906 году Вальтер Нернст сформулировал третий закон термодинамики .
Основываясь на вышеизложенном, Ларс Онсагер , Эрвин Шрёдингер , Илья Пригожин и другие вывели эти «концепции» двигателей на улицы почти всех современных отраслей науки.
Следующий список представляет собой приблизительный дисциплинарный обзор основных разделов термодинамики и времени их возникновения:
Концепции термодинамики также применялись в других областях, например:
