ТемаРазвитие физики в ХIХ в. Фундаментальные законы термодинамики, оптики, электродинамики. Технический прогресс на основе научных достижений.

Карно первым установил связь работы и теплоты, которую он сформулировал еще в рамках теории теплорода. Но, тем не менее, он понял, что работа тепловой машины определяется всеобщим законом перехода тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Из этого следует, что движущаяся сила не может воспроизводиться неограниченно долго. Таким образом, теплота может создавать работу только при разности температур. Именно это утверждение составляет второе начало термодинамики. Так Карно заложил основы нового раздела физики – равновесной термодинамики, который изучает наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями.
Классическая (равновесная) термодинамика основана на трех знаменитых началах.
Первое начало термодинамики носит название закона сохранения энергии, согласно которому при сообщении телу некоторого количества теплоты происходит при приращении внутренней энергии и система совершает работу против внешних сил.
Первым закон эквивалентности механической работы и теплоты сформулировал Р. Майер. Д. Джоуль экспериментально подтвердил предположение о том, что теплота является формой энергии и определил меру превращения механической работы в теплоту. В 1847 г. Г. Гелмогольц математически обосновал закон сохранения энергии и показал его всеобщих характер [4-5].
Второе начало термодинамики формулируется следующим образом: 1. в замкнутой системе (т.е. изолированной в тепловом и механическом отношении) энтропия остается неизменной, либо возрастает, достигая максимума в состоянии равновесия; 2. невозможен переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому телу (формулировка Р. Клаузиса); 3. невозможно создать периодически действующую машину, вся работа которой сводится к поднятию какого-либо груза и соответствующему охлаждения теплового резервуара (В. Томсон, М. Планк); 4. невозможно построить вечный двигатель второго рода, т.е. тепловую машину, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует теплоту, получаемого от какого-либо неисчерпаемого источника, в работу (В. Оствальд).
Согласно второму началу термодинамики, энтропия Вселенной стремится к максимуму. Из этого следует, что все виды энергии, в конце концов перейдут в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по Вселенной. После этого все макроскопические процессы во Вселенной прекратятся, и наступит «тепловая смерть». Только что сформулированная гипотеза получила название концепции тепловой смерти Вселенной. Из этого следует, что тепловая смерть подразумевает термодинамическое равновесие, т.е. одинаковую температуру всех тел. В этом случае никакие изменения, никакая работа окажутся невозможными.
В 1871 г. Л. Больцман показал, что второе начало термодинамики может быть выведено из классической механики только с применением теории вероятности. Энтропия термодинамического состояния пропорциональна вероятности этого состояния. Это утверждение называется Н-теоремой [6]. Из Н-теоремы следует вывод, что энтропия может только возрастать со временем, но при этом доказать постоянный рост энтропии в замкнутой системе не представляется возможным, поскольку классическая механика симметрична относительно времени. А поскольку невозможно вывести асимметрию из симметрии, то чисто механическая интерпретация второго начала не может быть верной. Н-теорема не способна объяснить однонаправленность процессов, т.е временную асимметрию. Отсюда следует ограниченность второго закона термодинамики, он неприменим к отдельным частицам.
Третье начало термодинамики, теорема Нернста, утверждает, что энтропия физической системы при стремлении к абсолютному нулю энтропия принимает значение, не зависящее от параметров системы, и остается неизменной. Такое значение можно положить равным нулю. М. Планк дополнил теорему Нернста гипотезой, что энтропия всех тел при абсолютном нуле температуры равна нулю. Из этого следует, что при температурах, близких к абсолютному нулю, теплоемкость при постоянном давлении и объеме, коэффициент теплового расширения и давления приобретают нулевое значение. Также из теоремы Нернста следует недостижимость абсолютного нуля при конечной последовательности термодинамических процессов.
Итак, классическая равновесная термодинамика описывает состояние теплового равновесия и бесконечно медленные процессы, поэтому время не входит в ее основные уравнения. Позже, в 30-е годы прошлого века, возникла неравновесная термодинамика, описывающая неравновесные процессы.
Заключение
В 19 веке физическая наука совершила небывалый скачок в своем развитии. Были сформулированы фундаментальные законы: закон сохранения энергии, три начала классической термодинамики, закон электромагнитной индукции, предложена концепция физического поля, доказана электромагнитная природа света, и т.д.
Формирование концепции физического поля в рамках электродинамики положило начало современной физики.
Сформулированные три начала термодинамики положили конец многочисленным проектам создания вечного двигателя. Первое начало термодинамики запрещало создания вечного двигателя первого рода, способного совершать работу неограниченного долго, не заимствуя энергию извне. Из второго начала термодинамики следует невозможность существования вечного двигателя второго рода, превращающего все тепло, извлекаемое из тел, в работу. Эти ограничения стали определяющими для развития не только физической науки, но и техники.
Фундаментальные открытия, совершенные физикой в конце позапрошлого века, стали источником революции в технике.
Открытие закона электромагнитных волн и электромагнитных волн и их практическое использованию привело к возникновению радио, телевидения, и т.д. Современная техника продолжает использовать электромагнитные волны для передачи информации. Например, сотовая связь основана на использовании радиоволн. Продолжаются разрабатываться способы для беспроводной передачи энергии. Одним из таких способов является лазерная передача энергия.
Несмотря на выдающиеся результаты, научно-технический прогресс имеет фундаментальные ограничения, следующие из второго начала термодинамики. Как было упомянуто выше, невозможно создать устройства способные бесконечно долго функционировать и превращать все тепло, извлекаемое из тел, в работу.
Список литературы
1. Карно Сади. Размышление о движущейся силе огня и машинах, способных развивать эту силу / Сади Карно. – Перевод Э Фриша. – Под редакцией и с примечаниями В.Р. Бурсиана и Ю.А. Круткова. – Москва, Петроград: ГИЗ. – 1923. – 82 с.
2. Кудрявцев П.С. История физики / П.С. Кудрявцев. – М.: Просвещение. – 1982. – 447 с.
3. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики сначала ХIХ до середины ХХ вв / Я.Г. Дорфман. – М.: Наука. – 1971. - 317 с.
4. Карпенко С.Х.Основные концепции современного естествознания / С.Х. Карпенко. – М.: Высшая школа. – 2007. – 328 с.
5. Леонов В.Е. Концепции современного естествознания / В.Е. Леонов. – М.: Вектор. – 2007. – 224 с.
6. И. Пригожин. Время, Хаос, Квант / Пригожин И., Стенгнерс И. – М.: Едиториал УРСС. – 2014. – 240 с.


















5