1
Дисциплина
«Концепции современного естествознания»
Лекция 4 - Классичеcкая термодинамика
Автор – д.в.н., профессор
Дудь Александр Петрович
...классическая термодинамика производит на меня очень глубокое впечатление. <...> Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу
XVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественного
исследования тепловых процессов и свойств макросистем. <...> Согласно одной из них — вещественной теории тепла — теплота
рассматривалась как особого рода невесомая «жидкость», способная перетекать от
одного тела к другому. <...> Чем больше
теплорода в теле, тем выше температура тела. <...> Таким образом, представление о тепловых явлениях и
свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении
вещества. <...> В рамках подобных представлений теорию тепла называли корпускулярной
или кинетической. <...> И все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к
середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. <...> Теплородная теория объясняла выделение теплоты при трении тел друг о
друга тем, что при трении тела как бы «выжимают» из себя теплород, вследствие чего
количества теплорода в них (теплоемкость) должны изменяться. <...> В 1798 г. Румфорд провел эксперимент, связанный со сверлением пушечного
ствола. <...> В течение 2,5 часов за счет трения было получено количество теплоты,
достаточной для превращения в пар 12 кг воды при получении всего лишь 270 г.
металлической стружки. <...>
3
Румфорд объяснил это явление с помощью представления о теплоте как особом
виде движения.
«... источник теплоты, порожденный трением, - писал Б. <...> Самым очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой
необратимый процесс. <...> Фурье сформулировал математический
закон теплопроводности, согласно которому поток тепла пропорционален <...>
Лекция_4_Классичекая__термодинамика.pdf
1
Дисциплина
«Концепции современного естествознания»
Лекция 4 - Классичеcкая термодинамика
Автор – д.в.н., профессор
Дудь Александр Петрович
...классическая термодинамика производит на меня очень глубокое впечатление.
Это — единственная общая физическая теория, и я убежден, что в рамках применимости
своих основных положений она никогда не будет опровергнута.
А. Эйнштейн
Развитие представлений о природе тепловых явлений. Вокруг нас
происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим
движением. Это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел,
представляющих собой макросистемы, или при переходе их из одного состояния
(например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное). Такие явления
называются тепловыми.
Они играют огромную роль в жизни людей, животных и растений.
Изменение температуры на 20—30 °С при смене времени года меняет все вокруг
нас. С наступлением весны природа преображается, леса и луга зеленеют. От
температуры окружающей среды зависит возможность жизни на Земле. Люди
добились относительной независимости от окружающей среды после того, как
научились добывать и поддерживать огонь. Это было одним из величайших
открытий, сделанных на заре зарождения человечества.
Развитие представлений о природе тепловых явлений — пример того, каким
сложным и противоречивым путем постигается естественнонаучная истина.
Многие философы древности рассматривали огонь и связанную с ним теплоту
как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела.
Одновременно предпринимались попытки связать теплоту с движением, ибо было
замечено, что при соударении тел или их трении они нагреваются.
Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу
XVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественного
исследования тепловых процессов и свойств макросистем.
Измерение температуры ввели для характеристики степени нагретости тел, но
требовались объективные критерии. Исследование тепловых явлений началось после
изобретения термометра.
Галилей, Ньютон и другие конструировали термоскопы: тонкая стеклянная трубка,
один конец которой заканчивался шариком, а другой, открытый, опускался в сосуд с водой,
заполняющей часть трубки. Когда воздух в шарике нагревался (охлаждался), столбик воды в
трубке опускался (поднимался). Затем трубки стали снабжать шкалой.
Стр.1
2
Термометр с четкими показателями впервые сделал гданьский стеклодув
Г.Д.Фаренгейт: 0 °F — температура смеси воды, поваренной соли и льда, 212 °F — кипения
воды, 32°F — таяния льда, 96 °F — человеческого тела. Эта шкала распространилась с 1714
г., и сейчас принята во многих странах, в том числе в США. Шведский астроном А.
Цельсий предложил за 0° взять температуру кипения воды при нормальном давлении, а за
100° — температуру таяния льда (1742). Шведский ботаник К.Линней переставил на
шкале Цельсия точки 0 и 100, и появился бытовой термометр с этой шкалой.
Вновь перед наукой встал вопрос: что же такое теплота? Наметились две
противоположные точки зрения.
Согласно одной из них — вещественной теории тепла — теплота
рассматривалась как особого рода невесомая «жидкость», способная перетекать от
одного тела к другому. Такая жидкость была названа теплородом. Чем больше
теплорода в теле, тем выше температура тела.
Приверженцы другой точки зрения полагали, что теплота — это вид
внутреннего движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем
выше его температура. Таким образом, представление о тепловых явлениях и
свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении
вещества. В рамках подобных представлений теорию тепла называли корпускулярной
или кинетической. Ее придерживались Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли и др.
И все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к
середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло
после экспериментального доказательства сохранения теплоты при теплообмене,
что послужило основанием для вывода о сохранении (неуничтожении) тепловой
жидкости — теплорода. С помощью введенного понятия теплоемкости тел удалось
создать количественную теорию теплопроводности. Многие термины, введенные в то
время, сохранились доныне.
Однако к концу XVIII в. все большее количество фактов убеждало ученых, что
никакого теплорода не существует и нагревание тел более убедительно объясняется не
увеличением в них теплорода, а увеличением их внутренней энергии.
Опыты Румфорда – удар по теории теплорода. Румфорд проводил опыты с
трением. Теплородная теория объясняла выделение теплоты при трении тел друг о
друга тем, что при трении тела как бы «выжимают» из себя теплород, вследствие чего
количества теплорода в них (теплоемкость) должны изменяться.
В 1798 г. Румфорд провел эксперимент, связанный со сверлением пушечного
ствола. В течение 2,5 часов за счет трения было получено количество теплоты,
достаточной для превращения в пар 12 кг воды при получении всего лишь 270 г.
металлической стружки. Далее было показано, что стружка имеет такую же удельную
теплоемкость как исходный материал отливки, т.е. о никакой «выжимке» не могло
быть речи, и теплота не могла быть получена за счет «выжимания» теплорода из
металла.
Стр.2