Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое термодинамика, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое термодинамика, тепловая машина, водяная мельница, теплород , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Синергетика.
На примере неприменимости для описания работы тепловой машины законов механики для водяной мельницы демонстрируется процесс зарождения новой науки - термодинамики. Прослеживается развитие последней на следующих примерах: простейшая схема тепловой машины, цикл Карно, начала термодинамики, энтропия, ассиметрия в природе, энтропия и энергия, стрела времени, свободная энергия, условия равновесия, энтропия и вероятность, формула Больцмана. На этой основе дается изменение научной картины мира в XIX веке, и рассматриваются две великие теории эволюции для живого и косного миров - Дарвина и Больцмана. Анализируется взгляд на детерменизм и вероятность и концепция тепловой смерти Вселенной.
I. Сравнение тепловой машины и водяной мельницы показывает, что потенциальная механическая энергия может полностью перейти в кинетическую, а потенциальная тепловая энергия нагревателя не может быть полностью превращена в механическую работу - часть энергии должна остаться холодильнику, и КПД тепловой машины меньше 100%.
II. В начале XIX века возникла термодинамика - наука о превращении тепловой энергии в механическую, и основная проблема термодинамики состояла в объяснении, почему нельзя построить тепловую машину с КПД, близким к 100%.
В 1824 году французский инженер Карно сформулировал первое (закон сохранения энергии) и второе начала термодинамики. Последнее гласило, что наибольший КПД теплового двигателя не зависит от рабочего тела и определяется только температурой, в пределах которой работает двигатель.
III. В 1864 году немецкий физик Клаузиус ввел понятие энтропии S=
Q/T, где Q - тепловая энергия, потребляемая нагревателем, Т - его абсолютная температура, и установил, что энтропия S может только возрастать, в то время, как остальные физические параметры Q, T, P и т. д. могут изменяться в любую сторону. Было сформулировано следующее положение: энергия во Вселенной сохраняется, а энтропия растет. (Есть еще одна физическая величина, которая может меняться только в одну сторону - время. Говорят, что стрела времени и стрела энтропии направлены в одну сторону.)
IV. Объяснил такое странное поведение энтропии австрийский физик Больцман в 1896 году. Он установил связь между величиной энтропии S и статистическим весом системы P (числом способов осуществления данного состояния): S = k ln P, где k = 1.38 10-23Дж/К - постоянная Больцмана.
V. Больцман показал, что наиболее вероятное состояние системы соответствует равномерному распределению частиц, элементов, молекул в пространстве, т. е. выравниванию всех различий. В конечном итоге температуры, давления, скорости и т. д. должны выровняться и придти в однородное состояние. Эта концепция получила название "тепловой смерти Вселенной".
Как уже говорилось, к началу XIX века в физике господствовала механика, и различные формы движения стремились сводить к механическим. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Тепловые процессы или перенос (движение) тепла в этом мире уподобляли движению гипотетической жидкости - теплород а.
Любопытно, что свой анализ С. Карно осуществил с использованием концепции теплорода. Карно хорошо разбирался в принципах работы водяных колес и знал, что величина работы, совершаемой потоком воды, зависит от скорости потока, которая обусловлена величиной перепада уровней. Он знал также, что вода на выходе колеса не может иметь нулевую скорость. Идею Карно о необходимости двух источников теплоты можно проиллюстрировать примером (рис. 1.10). Пусть есть водяная мельница, приводимая в действие потоком воды. Очевидно, для того чтобы колесо вращалось, нужен поток воды, причем движение потока обусловлено перепадом высот на входе и выходе колеса мельницы. Если потока нет, колесо вращаться не будет. Аналогичным образом, тепловая машина не может работать, если нет потока теплоты.
Рис. 1.10. Работа водяной мельницы
Рис. 1.11. Работа тепловой машины
В качестве движущей силы пара по Карно можно рассматривать степень его нагрева.
Использование концепции теплорода помогло Карно постулировать невозможность использования всей энергии пара. Так же, как и вода на выходе колеса должна иметь запас кинетической энергии, теплород на выходе тепловой машины должен обладать запасом тепловой энергии. Поскольку во времена Карно закон сохранения энергии был неизвестен, он предполагал, что теплород подобно воде «падает» с одного уровня на другой, по пути производя работу. При этом предполагалось, что количество теплорода (теплоты) остается неизменным (аналогия с водяным колесом) (рис. 1.11).
С древних времен в технике применялись различные способы преобразования тепловой энергии в механическую с помощью различных тепловых машин. Однако достаточно четкие научные взгляды на этот процесс отсутствовали, техника опережала науку. Для понимания процессов, происходящих в тепловой машине, широко использовалась аналогия с гидравлической машиной.
Рассматривалась плотина, в которой с высоты h падала вода на лопасти колеса и приводила в движение вал, вращающийся со скоростью V. Потенциальная энергия воды mgh превращалась в кинетическую энергию вала 
. Если пренебрегать потерями на трение, то вся потенциальная энергия переходила в кинетическую энергию, т. е.
В тепловой машине всегда существует два узла: нагреватель с температурой рабочего тела T1 и холодильник с температурой T2. За счет протекания тепла от нагревателя к холодильнику может производиться работа. Здесь можно провести аналогию с плотиной и мельничным колесом и хорошо подходят представления о теплороде*, протекающем от нагревателя к холодильнику. Однако было замечено, что такая аналогия не работает.
Теплород — по распространенным в XVIII — начале XIX века воззрениям, невесомый флюид, присутствующий в каждом теле и являющийся причиной тепловых явлений. Введен в 1783 году Лавуазье. Гипотеза флогистона-теплорода была отвергнута в результате испытаний, что послужило опорой для принятия молекулярно-кинетической теории в середине XIX века. Приток теплорода в тело должен вызывать его нагрев, убыль — охлаждение. Количество теплорода во всех тепловых процессах должно оставаться неизменным. Теория теплорода объясняла на тот момент многие известные в то время тепловые явления и была признана большинством ученых.
Первые серьезные исследования этого процесса провел молодой французский инженер Сади Карно (1796 - 1932). Он был сыном военного министра при Наполеоне, в 1814 году сражался в предместье Парижа с войсками союзников, после разгрома Наполеона окончил Политехническую школу.
С. Карно больно переживал поражение Франции в войне и стремился быть полезным своей Родине. Он обратил внимание на то, что паровым машинам, которые в то время широко применялись в промышленности Англии, уготовано большое будущее. Карно полагал, что та страна, в которой эти машины будут наиболее совершенными, станет сильной державой. Это стало стимулом для молодого инженера, и он приступил к работе над паровой машиной с высоким коэффициентом полезного действия (КПД, 
). Его исследования были опубликованы в 1824 году, в небольшой книге "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу".
Вначале Карно, исходя из казалось бы очевидной аналогии с водяной мельницей, полагал, что, при переносе тепла от нагревателя к холодильнику, количество теплоты в тепловой машине сохраняется. Однако это оказалось не так.
Карно показал, что процессу преобразования теплоты в работу присуща некая "внутренняя неэффективность", т. е. не все количество тепла переходит от нагревателя к холодильнику, а часть его обязательно теряется; было найдено выражение для предельного значения КПД тепловой машины. Более подробно об этом можно прочитать в параграфе Цикл Карно. В книге Карно содержится также формулировка двух принципов, получивших позднее наименование первого и второго начал термодинамики: первое начало - закон сохранения энергии, второе - количественная оценка упоминавшейся выше "внутренней неэффективности" при преобразовании теплоты в работу. В дальнейшем последнее положение будет рассмотрено достаточно подробно.
В 1799 г. английский физик и химик Гемфри Дэви произвел новый эксперимент, который тоже свидетельствовал против теории теплорода. Опыт Дэви состоял в следующем: под колокол воздушного насоса, откуда предварительно был выкачан воздух, помещались два куска льда при температуре 0 °С. Оба куска можно было тереть друг о друга при помощи специального часового механизма. При трении лед таял, причем температура получившейся воды оказалась на несколько градусов выше 0 °С. С точки зрения теории теплорода этот опыт совсем необъясним, поскольку удельная теплоемкость льда меньше, чем у воды. Отсюда Дэви заключил, что теплота могла появиться только в результате движения.
Опыты Румфорда и Дэви окончательно прояснили вопрос, не только убрав из физики «костыль» в виде теплорода, но и косвенно подтвердив кинетическую теорию. "Виртуальное вещество", породившее термин «градус» для обозначения температуры (изначально подразумевалась именно концентрация теплорода в измеряемом веществе), было окончательно списано на свалку истории.
Прочтение данной статьи про термодинамика позволяет сделать вывод о значимости данной информации для обеспечения качества и оптимальности процессов. Надеюсь, что теперь ты понял что такое термодинамика, тепловая машина, водяная мельница, теплород и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Синергетика
Комментарии
Оставить комментарий
Синергетика
Термины: Синергетика