Наука - Физика
тношения массы одного атома этого элемента к массе одного атома водорода.
А.Авогадро установил. что идеальные газы (газы с пренебрежительно малыми
силами взаимодействия между его частицами) при одинаковых температуре и
давлении содержат в единице объема одинаковые количества молекул.
К середине XIX века эквивалентность теплоты и энергии признало
большинство ученых, теплоту стали рассматривать как молекулярное движение.
Опыты Ж.Л.Гей-Люссака и Д.Джоуля подтвердили независимость внутренней
энергии идеальных газов от их объемов, что было свидетельством ничтожности
действующих между их молекулами сил. Р.Клаузиус к поступательному движению
молекул добавляет вращательное и внутримолекулярное колебательное движение
и дает объяснение закону Авогадро как следствию того. что молекулы любых
газов обладают одинаковой "живой силой" поступательного движения. Для
данного этапа развития молекулярно-кинетической теории газов важным было
вычисление средних значений различных физических величин, таких как
скорость движения молекул, число их столкновений в секунду, длина
свободного пробега и т.д., определение зависимости давления газа от числа
молекул в единице объема и средней кинетической энергии поступательного
движения молекул - все это дало возможность выявить физический смысл
температуры как меры средней кинетической энергии молекул.
Следующий этап в развитии молекулярно-кинетической теории газов начался с
работ Д.Максвелла. Благодаря введению понятия вероятности был установлен
закон распределения молекул по скоростям (всякая система, вначале
содержащая быстрые (горячие) и медленные (холодные) молекулы, должна прийти
в такое состояние, при котором большинство молекул движется со средними
скоростями, становясь чуть теплыми), что и привело к созданию
статистической механики. В работах Л.Больцмана, построившего кинетическую
теорию газов, было дано статистическое обоснование второго начала
термодинамики - необратимость процессов была связана со стремлением систем
к наиболее вероятному состоянию. Выявление статистического смысла второго
начала термодинамики имело важное значение - оказалось , что второе начало
термодинамики в отличие от первого имеет границы своей применимости: оно не
применимо к движению отдельной молекулы. Необратимость движения
обнаруживается в поведении лишь огромного числа молекул.
Классическая статистическая механика завершается работами Д.Гиббса,
создавшего метод расчета функций распределения не только для газа, но
вообще для любых систем в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее
же признание статистической механики наступит уже в XX веке, когда, на
основе молекулярно-кинетической теории будет построена количественная
теория броуновского движения (на основе исследования последнего Ж.Перрен
доказал реальность существования молекул).
Таким образом, молекулярно-кинетическая концепция газа является
совокупностью огромного числа молекул, движущихся во всех направлениях,
соударяющихся друг с другом и после каждого столкновения изменяющих
направление своего движения. В таком газе существует средняя скорость
движения молекул, а поэтому должна существовать и средняя кинетическая
энергия молекулы. Если это так, то теплота есть кинетическая энергия
молекулярного движения и любой определенной температуре соответствует
определенная кинетическая энергия молекулы. Молекулярно-кинетическая теория
вещества и качественно и количественно объясняет законы газов и других
веществ, установленные экспериментально. Броуновское движение, обнаруженное
Р.Броуном, продемонстрировало движение частиц в жидкостях. Наблюдая через
микроскопы за движением органических и неорганических веществ в воде, Броун
установил, что их движение вызывается потоками в жидкости и не ее
постоянным испарением, а принадлежит самим частицам. Это наблюдение
выглядит противоречащим всему предыдущему опыту. Молекулярно-кинетическая
теория позволила объяснить возникшую трудность.
Суть дела заключается в следующем. Частицы, движущиеся в воде и
наблюдаемые в микроскоп, бомбардируются меньшими частицами, из которых
состоит вода. броуновское движение возникает вследствие того, что данная
бомбардировка в силу своей хаотичности и неодинаковости с разных сторон, не
может быть уравновешена. Важно, таким образом, то, что наблюдаемое в
микроскоп движение является результатом движения, которое в данный
микроскоп ненаблюдаемо: хаотичный характер поведения больших частиц
отражает хаотичность поведения молекул, из которых состоит вещество. Отсюда
ясно, что количественное изучение броуновского движения позволяет глубже
проникнуть в кинетическую теорию вещества. Поскольку бомбардирующие
молекулы имеют определенные массы и скорости, то изучение броуновского
движения позволяет определить массу молекулы.
6. Концепции классической термодинамики
а) Возникновение термодинамики
Тепловые явления отличаются от механических и электромагнитных тем, что
законы тепловых явлений необратимы (т.е. тепловые процессы самопроизвольно
идут лишь в одном направлении) и что тепловые процессы осуществляются лишь
в макроскопических масштабах, а поэтому используемые для описания тепловых
процессов понятия и величины (температура, количество теплоты и т.д.) также
имеют только макроскопический смысл (о температуре, например, можно
говорить применительно к макроскопическому телу, но не к молекуле или
атому). Вместе с тем знание строения вещества необходимо для понимания
законов тепловых явлений.
Тело, рассматриваемое с термодинамической позиции, является неподвижным,
не обладающим механической энергией. Но такое тело обладает внутренней
энергией, складывающейся из энергий движущихся электронов и т.д. Это
внутренняя энергия может увеличиваться или уменьшаться. Передача энергии
может осуществляться путем передачи от одного тела к другому при совершении
над ними работы и путем теплообмена. Во втором случае внутренняя энергия
переходит от более нагретого тела к менее нагретому без совершения работы.
Переданную энергию называют количеством теплоты, а передачу энергии -
теплопередачей. В общем случае оба процесса могут осуществляться
одновременно, когда тело при утрате внутренней энергии может совершать
работу и передавать теплоту другому телу. К пониманию этого ученые пришли
не сразу. Для XVIII и первой половине XIX вв. было характерно понимать
теплоту как невесомую жидкость (вещество).
Представления о теплоте как форме движения мельчайших частиц материи
появилось еще в XVII веке. Этих воззрений придерживались Бэкон, Декарт,
Ньютон, Гук, Ломоносов. Однако и в XIX веке концепция теплорода разделялась
многими учеными. В конце XVIII века Б.Томпсон (граф Румфорд) обнаружил
выделение большого количества тепла при высверливании канала в пушечном
стволе, что посчитал доказательством того, что теплота является формой
движения. Получение теплоты с помощью трения подтвердили опыты Г.Дэви.
Б.Томпсон показал, что из ограниченного количества материи может быть
получено неограниченное количество теплоты.
Возникновение собственно термодинамики начинается с работы С.Карно (сам
термин "термодинамика" введен Б.Томпсоном). Исследуя практическую задачу
получения движения из тепла применительно к паровым машинам, он понял, что
принцип получения движения из тепла необходимо рассматривать не только по
отношению к паровым машинам, но к любым мыслимым тепловым машинам. Так был
сформулирован общий метод решения задачи - термодинамический, заложивший
основу термодинамики. Определяя коэффициент полезного действия тепловых
машин, Карно ввел свой знаменитый цикл, состоящий из двух изотермических
(происходящих при постоянной температуре) и двух адиабатических (без
притока и отдачи тепла) процессов. КПД цикла Карно не зависит от свойств
рабочего тела (пара, газа и т.д.) и определяется температурами
теплоотдатчика и теплоприемника. КПД любой тепловой машины не может быть
при тех же температурах теплоотдатчика и теплоприемника выше КПД цикла
Карно.
Карно первым вскрыл связь теплоты с работой. Но он исходил из концепции
теплорода, признававшей теплоту неизменной по количеству субстанцией.
Вместе с тем Карно уже понял, что работа паровой машины определяется
всеобщим законом перехода тепла от более высоких к более низким
температурам, т.е. что не может быть беспредельного воспроизведения
движущей силы без затрат теплорода. Таким образом, работа представлялась
как результат перепада теплорода с высшего уровня на низшие. Иначе говоря,
теплота может создавать работу лишь при наличии разности температур. По
своему смыслу это и составляет содержание второго начала термодинамики. КПД
тепловой машины оказался зависимым не от рабочего вещества, а от
температуры теплоотдатчика и теплоприемника. Все это позволило Карно прийти
к признанию принципа невозможности создания вечного двигателя первого рода
(т.е. непрерывно действующей машины, которая, будучи однажды запущенной,
совершала бы работу без притока извне).
Осознавая недостатки теории теплорода, Карно в конце концов отказывается
от признания теплоты неизменной по количеству субстанцией и дает значение
механического эквивалента теплоты. Но публикация этого вывода была
осуществлена уже после признания закона сохранения энергии, поэтому данный
вывод не сыграл той роли. которую мог сы
| |  скачать работу |
Наука - Физика |
