Размещено на http://www.allbest.ru/

Статистические и термодинамические свойства макросистем

Данилов В.А., Френкель Е.Э.

Военный институт материального обеспечения

Вольск, Россия

Развитие представлений о природе тепловых явлений

Вокруг нас происходят явления, внешне не похожие на механическое движение, - это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел, представляющих собой макросистемы, или при переходе их из одного состояния (например, жидкого) в другое (твёрдое либо газообразное). Такие явления называются тепловыми, они играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. Изменение температуры на 20-30 °C при смене времени года меняет всё вокруг нас: например, с наступлением весны природа преображается, леса и луга зеленеют. От температуры окружающей среды зависят условия 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 тепла относятся к началу XVII в., когда был изобретён термометр, появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем.

Вновь перед наукой встал вопрос: что же такое теплота? Наметились две противоположные точки зрения.

Согласно одной из них - так называемой 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 первоначально называли корпускулярной (от слова «корпускула» - частица). Этой теории придерживались И. Ньютон Сэр Исаамк Ньюмтон (или Ньютомн) (англ. Isaac Newton, 25.12.1642 - 20.03.1727 по юлианскому календарю, действовавшему в Англии до 1752 года; или 4.01.1643 года - 31.03.1727 по григорианскому календарю) - английский физик, математик, механик и астроном, один из создателей классической физики. Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики. Разработал дифференциальное и интегральное исчисления, теорию цвета, заложил основы современной физической оптики, создал многие другие математические и физические теории. , Р. Гук Ромберт Гук (англ. Robert Hooke; Роберт Хук, 18 июля 1635, остров Уайт, Англия -- 3 марта 1703, в Лондоне) -- английский естествоиспытатель, учёный-энциклопедист. Гука смело можно назвать одним из отцов физики, в особенности экспериментальной, но и во многих других науках ему принадлежат зачастую одни из первых основополагающих работ и множество открытий. , Р. Бойль Роберт Бойль (англ. Robert Boyle; 25 января 1627 года -- 30 декабря 1691 года) -- англо-ирландский (англ.) русск.[ натурфилософ, физик, химик и богослов. , Бернулли Якоб Бернумлли (нем. Jakob Bernoulli, 6 января 1655, Базель, -- 16 августа 1705, там же) -- швейцарский математик. Один из основателей теории вероятностей и математического анализа. Старший брат Иоганна Бернулли, совместно с ним положил начало вариационному исчислению. Доказал частный случай закона больших чисел -- теорему Бернулли. Профессор математики Базельского университета (с 1687 года) и др.

Большой вклад в развитие корпускулярной теории тепла сделал М.В. Ломоносов Михаимл Васимльевич Ломономсов (1711-1765) - первый русский учёный-естествоиспытатель мирового значения, энциклопедист, химик и физик; он вошёл в науку как первый химик, который дал физической химии определение, весьма близкое к современному, и предначертал обширную программу физико-химических исследований; его молекулярно-кинетическая теория тепла во многом предвосхитила современное представление о строении материи и многие фундаментальные законы, в числе которых одно из начал термодинамики; заложил основы науки о стекле. Астроном, приборостроитель, географ, металлург, геолог, поэт, филолог, художник, историк и генеалог, поборник развития отечественного просвещения, науки и экономики. Разработал проект Московского университета, впоследствии названного в его честь. Открыл наличие атмосферы у планеты Венера. Статский советник, профессор химии (с 1745), действительный член Санкт-Петербургской Императорской и почётный член Королевской Шведской академий наук. Яркий пример «универсального человека». , рассматривавший теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории он объяснил процессы плавления, испарения и теплопроводности, а также пришёл к выводу о существовании «наибольшей или последней степени холода», когда движение частичек вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова среди русских учёных уменьшилось число сторонников вещественной теории тепла.

И всё же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории тепла, 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 введённого понятия теплоёмкости тел удалось создать количественную теорию теплопроводности. Многие термины, введённые в то время, сохранились доныне.

В середине XIX в. была установлена связь между механической работой и теплотой. Подобно механической работе количество теплоты стало считаться мерой энергии. Нагревание тела связывалось с увеличением в нём не количества невесомой «жидкости», а энергии - принцип теплорода был вытеснен фундаментальным законом сохранения энергии.

Значительный вклад в развитие теории тепловых явлений и свойств макросистем внесли немецкий физик Р. Клаузиус Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус (нем. Rudolf Julius Emanuel Clausius, имя при рожд. - Рудольф Готтлиб (нем. Rudolf Gottlieb); 2 января 1822, Кёслин (ныне - Кошалин) - 24 августа 1888, Бонн) -- немецкий физик, механик и математик. Славу Клаузиусу создали его работы по теоретической термодинамике, до него бывшей в младенческом периоде развития; лишь благодаря трудам Клаузиуса, одновременно с работами Джоуля, Гельмгольца и Ренкина, термодинамика получила окончательную разработку. , английский физик-теоретик Дж. Максвелл Джеймс Клерк Мамксвелл (англ. James Clerk Maxwell; 13.06.1831, Эдинбург, Шотландия - 5.11.1879, Кембридж, Англия) - британский физик, математик и механик. Шотландец по происхождению. Член Лондонского королевского общества (1861). Максвелл заложил основы современной классической электродинамики (уравнения Максвелла), ввёл в физику понятия тока смещения и электромагнитного поля, получил ряд следствий из своей теории (предсказание электромагнитных волн, электромагнитная природа света, давление света и другие). Один из основателей кинетической теории газов (установил распределение молекул газа по скоростям). Одним из первых ввёл в физику статистические представления, показал статистическую природу второго начала термодинамики («демон Максвелла»), получил ряд важных результатов в молекулярной физике и термодинамике (термодинамические соотношения Максвелла, правило Максвелла для фазового перехода жидкость - газ и другие). Пионер количественной теории цветов; автор трёхцветного принципа цветной фотографии. Среди других работ Максвелла - исследования по механике ,

австрийский физик Л. Больцман8 и др.

Термодинамическое и статистическое описание свойств макросистем

Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй - молекулярной физики.

Термодинамика - это наука о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел и тепловые явления характеризуются параметрами, регистрируемыми приборами (термометром, манометром и др.), не реагирующими на воздействие отдельных молекул. Законы термодинамики описывают тепловые свойства тел, число молекул в которых огромно, - такие тела называются макросистемами. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т.п. - все это примеры макросистем. Тепловые свойства макросистем определяются термодинамическими параметрами (параметрами состояния): температурой, давлением и удельным объёмом (объёмом единицы массы). Эти параметры часто называются функциями состояния системы.

Температура - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960) рекомендовано применять только две температурные шкалы - термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (°С). Принято считать, что 0 К (абсолютный нуль) недостижим, хотя сколь угодно близкое приближение к нему возможно.

К концу XIX в. была создана последовательная теория, описывающая свойства большой совокупности атомов и молекул, - молекулярно-кинетическая теория, или статистическая механика. Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул, которое анализируется статистическим методом, основанным на том, что свойства макросистемы в конечном результате определяются особенностями движения частиц и их усреднёнными кинетическими и динамическими характеристиками (скоростью, энергией, давлением и т.д.). Например, температура тела зависит от скорости беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, её удобно определять через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы: макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.

Основные положения молекулярно-кинетических представлений

В основе молекулярно-кинетических представлений о строении и свойствах макросистем лежат три основных положения:

1) любое тело - твёрдое, жидкое или газообразное - состоит из большого числа весьма малых частиц - молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы);

2) молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления движении;

3) интенсивность движения молекул, определяемая их скоростью, зависит от температуры вещества.

Тепловые свойства вещества зависят от его внутреннего состояния и строения. Например, нагревание кусочка парафина на несколько десятков градусов превращает его в жидкость, а подобное нагревание металлического стержня не оказывает на него заметного влияния. Такое различное действие нагревания связано с различием во внутреннем строении данных веществ, поэтому исследование тепловых явлений можно использовать для выяснения общей картины строения вещества. И наоборот, определённые представления о строении вещества помогают понять физическую сущность тепловых явлений, дать им глубокое наглядное истолкование.

Количественным воплощением молекулярно-кинетических представлений являются опытные газовые законы (законы Бойля - Мариотта, Гей-Люссака, Шарля Жак Алексамндр Сезамр Шарль (фр. Jacques Alexandre Cйsar Charles, 12 ноября 1746, Божанси, Луаре -- 7 апреля 1823, Париж) - французский изобретатель и учёный. Известен как изобретатель наполняемого водородом, или другим газом легче воздуха, воздушного шара, получившего по имени изобретателя название шарльер, в противоположность монгольфьеру. Первый его воздушный шар, наполненный водородом, поднялся в Париже с Марсова поля 27 августа 1783 года; в том же году 3 декабря он, вместе с инженером, одним из изготовителей воздушного шара, Николя Луи Робертом (Nicolas-Louis Robert англ.), предпринял своё первое воздушное путешествие. Открыл названный его именем физический закон: при постоянном объёме давление идеального газа прямо пропорционально его абсолютной температуре. , Авогадро Амедемо Авогамдро (итал. Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna e Cerreto; 9 августа 1776, Турин - 9 июля 1856, Турин) - итальянский учёный, и химик. , Дальтона Джон Дальтон (Долтон) (англ. John Dalton; 6.09.1766 - 27.07.1844) - английский провинциальный учитель-самоучка, химик, метеоролог и естествоиспытатель. Он стал одним из самых знаменитых и уважаемых учёных своего времени благодаря новаторским работам в разных областях знания. Так, он впервые (1794) провёл исследования и описал дефект зрения, которым страдал сам, - цветовую слепоту, позже названную в его честь дальтонизмом; открыл закон парциальных давлений (закон Дальтона) (1801), закон равномерного расширения газов при нагревании (1802), закон растворимости газов в жидкостях (закон Генри-Дальтона). Установил закон кратных отношений (1803), обнаружил явление полимеризации (на примере этилена и бутилена), ввёл понятие «атомный вес», первым рассчитал атомные веса (массы) ряда элементов и составил первую таблицу их относительных атомных масс, заложив тем самым основу атомной теории строения вещества. ), уравнение Клапейрона Бенуам Поль Эмимль Клапейромн (фр. Benoоt Paul Йmile Clapeyron; 26 февраля 1799, Париж - 28 января 1864, там же) - французский физик и инженер. - Менделеева Дмимтрий Ивамнович Менделемев (27.01.[8.02] 1834, Тобольск - 20.01.[2.02] 1907, Санкт-Петербург) - русский учёный-энциклопедист: химик, физикохимик, физик, метролог, экономист, технолог, геолог, метеоролог, нефтяник, педагог, воздухоплаватель, приборостроитель. Профессор Санкт-Петербургского университета; член-корреспондент по разряду «физический» Императорской Санкт-Петербургской Академии наук. Среди наиболее известных открытий - периодический закон химических элементов, один из фундаментальных законов мироздания, неотъемлемый для всего естествознания. Автор классического труда «Основы химии». (уравнение состояния), основное уравнение кинетической теории идеальных газов, закон Максвелла для распределения молекул и др.

Литература

1. Френкель Е.Н. Концепции современного естествознания: физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие. - Ростов н/Д: Феникс, 2014. - 246 с.

2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник. - Новосибирск: ООО «Изд-во ЮКЭА», 1997. - 832 с.

Интернет-ресурсы:

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D0%BE-%D0%BA%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F (молекулярно-кинетическая теория)

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D 1%8F_%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0 (статистическая физика)

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81 (тепловой процесс)

6. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0(термодинамика)

Размещено на Allbest.ru