Historia termodynamiki

Silnik Savery 1698 - pierwszy na świecie silnik parowy do użytku komercyjnego : zbudowany przez Thomasa Savery'ego
Termodynamika
Carnot heat engine 2.svg
Klasyczny silnik cieplny Carnota
Gałęzie
Prawa
Systemy
Państwo
Procesy
Cykle
Właściwości systemu
Uwaga : zmienne sprzężone kursywą
Funkcje procesu
Funkcje państwa
Właściwości materiału
Specyficzna pojemność cieplna 
Ściśliwość 
Rozszerzalność cieplna 
równania
Potencjały
  • Historia
  • Kultura
Historia
Filozofia
teorie
Kluczowe publikacje
Osie czasu
  • Sztuka
  • Edukacja
Naukowcy
Inny

Historia termodynamiki jest fundamentalnym wątkiem w historii fizyki , historii chemii i historii nauki w ogóle. Ze względu na znaczenie termodynamiki w wielu dziedzinach nauki i technologii , jej historia jest ściśle powiązana z rozwojem mechaniki klasycznej , mechaniki kwantowej , magnetyzmu i kinetyki chemicznej , aż do bardziej odległych dziedzin, takich jak meteorologia , teoria informacji i biologia ( fizjologia ) oraz rozwój technologiczny , taki jak silnik parowy , silnik spalinowy , kriogenika i wytwarzanie energii elektrycznej . Rozwój termodynamiki zarówno napędzał, jak i był napędzany teorią atomową . To również, choć w subtelny sposób, zmotywowało nowe kierunki w prawdopodobieństwie i statystyce ; patrz na przykład oś czasu termodynamiki .

Historia

Wkłady starożytności

Starożytni postrzegali ciepło jako związane z ogniem. W 3000 pne starożytni Egipcjanie postrzegali ciepło jako związane z mitologiami pochodzenia. Starożytna filozofia indyjska, w tym filozofia wedyjska, uważała, że ​​podstawą wszystkich kosmicznych kreacji jest pięć klasycznych elementów (lub pancha mahā bhūta) . W zachodniej tradycji filozoficznej , po wielu debatach na temat pierwotnego pierwiastka wśród wcześniejszych filozofów przedsokratejskich , Empedokles zaproponował teorię czterech elementów, w której wszystkie substancje pochodzą z ziemi , woda , powietrze i ogień . Empedoczysty element ognia jest prawdopodobnie głównym przodkiem późniejszych koncepcji, takich jak flogin i kaloryczny . Około 500 rpne grecki filozof Heraklit zasłynął jako filozof „strumienia i ognia” dzięki swojej przysłowiowej wypowiedzi: „Wszystko płynie”. Heraklit twierdził, że trzy główne elementy natury to ogień, ziemia i woda.

Ogrzewanie ciała, takiego jak segment helisy alfa białka (powyżej), ma tendencję do powodowania większych wibracji jego atomów oraz rozszerzania się lub zmiany fazy , jeśli ogrzewanie jest kontynuowane; aksjomat natury odnotowany przez Hermana Boerhaave w XVIII wieku.

We wczesnym okresie nowożytnym uważano, że ciepło jest miarą niewidzialnego płynu, znanego jako kaloryczny . Ciała były w stanie pomieścić pewną ilość tego płynu, co doprowadziło do określenia pojemności cieplnej , nazwanego i po raz pierwszy zbadanego przez szkockiego chemika Josepha Blacka w latach pięćdziesiątych XVIII wieku.

W XVIII i XIX wieku naukowcy porzucili ideę kaloryczności fizycznej i zamiast tego rozumieli ciepło jako przejaw energii wewnętrznej układu . Dzisiaj ciepło to przenoszenie nieuporządkowanej energii cieplnej. Niemniej jednak, przynajmniej w języku angielskim, termin pojemność cieplna przetrwał. W niektórych innych językach preferowany jest termin pojemność cieplna , a czasami jest on również używany w języku angielskim.

Atomizm jest centralną częścią dzisiejszego związku między termodynamiką a mechaniką statystyczną. Starożytni myśliciele, tacy jak Leukippos i Demokryt , a później Epikurejczycy , rozwijając atomizm, położyli podwaliny pod późniejszą teorię atomizmu [ potrzebne źródło ] . Do czasu dostarczenia eksperymentalnych dowodów na istnienie atomów w XX wieku teoria atomowa opierała się głównie na rozważaniach filozoficznych i naukowej intuicji.

Parmenides z V wieku p.n.e. w swoim jedynym znanym dziele, poemacie tradycyjnie zatytułowanym O naturze , używa rozumowania werbalnego, aby postulować, że pustka, zasadniczo to, co obecnie jest znane jako próżnia , w naturze nie może wystąpić. Pogląd ten został poparty argumentami Arystotelesa , ale został skrytykowany przez Leukippa i Hero z Aleksandrii . Od starożytności do średniowiecza wysuwano różne argumenty, aby udowodnić lub odrzucić istnienie próżni i podjęto kilka prób skonstruowania próżni, ale wszystkie zakończyły się niepowodzeniem.

Europejscy naukowcy Cornelius Drebbel , Robert Fludd , Galileo Galilei i Santorio Santorio w XVI i XVII wieku byli w stanie zmierzyć względny „ zimno ” lub „ gorąco ” powietrza za pomocą podstawowego termometru powietrza (lub termoskopu ). Mogło na to wpłynąć wcześniejsze urządzenie, które mogło rozszerzać i kurczyć powietrze, skonstruowane przez Filona z Bizancjum i Hero z Aleksandrii .

Około 1600 roku angielski filozof i naukowiec Francis Bacon przypuszczał: „Ciepło samo w sobie, jego istota i istota to ruch i nic więcej”. W 1643 roku Galileo Galilei , ogólnie akceptując „wysysające” wyjaśnienie horror vacui zaproponowane przez Arystotelesa, uważał, że wstręt natury do próżni jest ograniczony. Pompy pracujące w kopalniach udowodniły już, że natura może wypełnić próżnię wodą tylko do wysokości ~30 stóp. Wiedząc o tym ciekawym fakcie, Galileusz zachęcał swojego byłego ucznia, Evangelistę Torricellego zbadać te rzekome ograniczenia. Torricelli nie wierzył, że wstręt do próżni ( Horror vacui ) w sensie „ssania” perspektywy Arystotelesa był odpowiedzialny za podnoszenie się wody. Rozumował raczej, że było to wynikiem ciśnienia wywieranego na ciecz przez otaczające powietrze.

Aby udowodnić tę teorię, napełnił długą szklaną rurkę (zamkniętą na jednym końcu) rtęcią i przewrócił ją do góry dnem do naczynia również zawierającego rtęć. Tylko część probówki opróżniona; Zostało około 30 cali płynu. Gdy rtęć opróżniła się, na górze rurki powstało częściowe podciśnienie . Siła grawitacji działająca na ciężki pierwiastek Merkury uniemożliwiła mu wypełnienie próżni.

Przejście od chemii do termochemii

Zobacz też: Historia chemii
Pierwszy na świecie kalorymetr lodowy , używany zimą 1782–83 przez Antoine'a Lavoisiera i Pierre-Simona Laplace'a do określania ciepła wydzielanego podczas różnych przemian chemicznych ; obliczenia oparte na wcześniejszym odkryciu ciepła utajonego przez Josepha Blacka . Eksperymenty te stanowią podstawę termochemii . [ potrzebne źródło ]

Teoria flogistonu powstała w XVII wieku, pod koniec okresu alchemii. Zastąpienie jej teorią kaloryczną w XVIII wieku jest jednym z historycznych wyznaczników przejścia od alchemii do chemii. Flogiston był hipotetyczną substancją, która przypuszczalnie wydzielała się z substancji palnych podczas spalania oraz z metali podczas procesu rdzewienia . Przypuszczano również, że kaloryczny, podobnie jak flogiston, jest „substancją” ciepła, która przepływałaby z cieplejszego ciała do chłodniejszego ciała, ogrzewając je w ten sposób.

Pierwsze znaczące eksperymentalne wyzwania dla teorii kalorycznej pojawiły się w pracy Rumforda z 1798 r., Kiedy wykazał, że nudne żeliwne armaty wytwarzają ogromne ilości ciepła, które przypisał tarciu , a jego praca była jedną z pierwszych, które podważyły ​​​​teorię kaloryczną. Rozwój silnika parowego skupił również uwagę na kalorymetrii i ilości ciepła wytwarzanego z różnych rodzajów węgla . Pierwsze ilościowe badania zmian ciepła podczas reakcji chemicznych zapoczątkował Lavoisier kalorymetru lodowego po badaniach Josepha Blacka dotyczących utajonego ciepła wody.

Więcej badań ilościowych przeprowadzonych przez Jamesa Prescotta Joule'a w 1843 r. Dostarczyło dobrze odtwarzalnych zjawisk i pomogło postawić temat termodynamiki na solidnych podstawach. Na przykład William Thomson jeszcze w 1850 roku nadal próbował wyjaśnić obserwacje Joule'a w ramach kalorycznych. Jednak użyteczność i moc wyjaśniająca teorii kinetycznej szybko zaczęła wypierać kaloryczną i pod koniec XIX wieku była ona w dużej mierze przestarzała . Josepha Blacka i Lavoisiera wnieśli ważny wkład w precyzyjny pomiar zmian ciepła za pomocą kalorymetru , przedmiotu, który stał się znany jako termochemia .

Termodynamika fenomenologiczna

Roberta Boyle'a. 1627-1691

Narodziny termodynamiki jako nauki

Irlandzki fizyk i chemik Robert Boyle w 1656 roku we współpracy z angielskim naukowcem Robertem Hooke zbudował pompę powietrza. Korzystając z tej pompy, Boyle i Hooke zauważyli korelację ciśnienie-objętość: PV = stała. W tamtych czasach uważano, że powietrze jest układem cząstek nieruchomych, a nie układem cząsteczek poruszających się. Koncepcja ruchu termicznego pojawiła się dwa wieki później. Dlatego publikacja Boyle'a z 1660 roku mówi o koncepcji mechanicznej: resorze pneumatycznym. Później, po wynalezieniu termometru, temperaturę właściwości można było określić ilościowo. To narzędzie dało Gay-Lussac możliwość wyprowadzenia jego prawa, które wkrótce doprowadziło do idealnego prawa gazu . Ale już przed ustanowieniem prawa gazu doskonałego, współpracownik Boyle'a, Denis Papin , zbudował w 1679 r. Komorę do trawienia kości, która jest zamkniętym naczyniem z ciasno dopasowaną pokrywą, która zatrzymuje parę do momentu wytworzenia wysokiego ciśnienia.

Późniejsze projekty zawierały zawór uwalniający parę, aby zapobiec eksplozji maszyny. Obserwując rytmiczne ruchy zaworu w górę iw dół, Papin wpadł na pomysł silnika tłokowo-cylindrowego. Nie zrealizował jednak swojego projektu. Niemniej jednak w 1697 roku, w oparciu o projekty Papina, inżynier Thomas Savery zbudował pierwszy silnik. Chociaż te wczesne silniki były prymitywne i nieefektywne, przyciągnęły uwagę czołowych naukowców tamtych czasów. Jednym z takich naukowców był Sadi Carnot , „ojciec termodynamiki”, który w 1824 r . , dyskurs na temat ciepła, mocy i wydajności silnika. Oznacza to początek termodynamiki jako nowoczesnej nauki.

Silnik parowy Watta , silnik parowy , który napędzał rewolucję przemysłową w Wielkiej Brytanii i na świecie

Dlatego przed 1698 r. i wynalezieniem Savery Engine konie były używane do napędzania kół pasowych przymocowanych do wiader, które podnosiły wodę z zalanych kopalni soli w Anglii. W następnych latach zbudowano więcej odmian silników parowych, takich jak Newcomen Engine , a później Watt Engine . Z czasem te wczesne silniki zostały ostatecznie wykorzystane zamiast koni. W ten sposób każdy silnik zaczął być kojarzony z pewną ilością „koni mechanicznych” w zależności od liczby koni, które zastąpił. Głównym problemem z tymi pierwszymi silnikami było to, że były one powolne i niezgrabne, przetwarzając mniej niż 2% sygnału wejściowego paliwo w użyteczną pracę. Innymi słowy, trzeba było spalić duże ilości węgla (lub drewna), aby uzyskać tylko niewielką część wydajności pracy. narodziła się potrzeba nowej nauki o dynamice silnika.

Sadi Carnot (1796–1832): „ojciec” termodynamiki

Większość cytuje książkę Sadi Carnota z 1824 r. Reflections on the Motive Power of Fire jako punkt wyjścia dla termodynamiki jako współczesnej nauki. Carnot zdefiniował „siłę napędową” jako wyraz użytecznego efektu , jaki jest w stanie wytworzyć silnik. W tym miejscu Carnot przedstawił nam pierwszą współczesną definicję „ pracy ”: ciężar podniesiony na wysokość . Pragnienie zrozumienia, poprzez sformułowanie, tego użytecznego efektu w odniesieniu do „pracy” leży u podstaw całej współczesnej termodynamiki.

W 1843 roku James Joule eksperymentalnie odkrył mechaniczny równoważnik ciepła . W 1845 roku Joule opisał swój najbardziej znany eksperyment, polegający na użyciu spadającego ciężarka do obracania koła łopatkowego w beczce z wodą, co pozwoliło mu oszacować mechaniczny równoważnik ciepła 819 ft·lbf/Btu (4,41 J /cal). Doprowadziło to do teorii zachowania energii i wyjaśniło, dlaczego ciepło może wykonywać pracę.

W 1850 r. słynny fizyk matematyczny Rudolf Clausius ukuł termin „entropia” ( das Wärmegewicht , symbol S ) w celu oznaczenia ciepła utraconego lub zamienionego w odpady. („ Wärmegewicht ” tłumaczy się dosłownie jako „ciężar ciepła”; odpowiedni angielski termin pochodzi od greckiego τρέπω , „zwracam się”).

Jednak nazwa „termodynamika” pojawiła się dopiero w 1854 roku, kiedy to brytyjski matematyk i fizyk William Thomson (Lord Kelvin) ukuł termin termodynamika w swoim artykule O dynamicznej teorii ciepła .

We współpracy z Clausiusem w 1871 roku szkocki matematyk i fizyk James Clerk Maxwell sformułował nową gałąź termodynamiki zwaną termodynamiką statystyczną , która służy do analizy dużej liczby cząstek w stanie równowagi , tj. układów, w których nie zachodzą żadne zmiany, tak że tylko ich średnie właściwości, takie jak temperatura T , ciśnienie P i objętość V , stają się ważne.

Wkrótce potem, w 1875 roku, austriacki fizyk Ludwig Boltzmann sformułował precyzyjny związek między entropią S a ruchem molekularnym:

jest zdefiniowany w kategoriach liczby możliwych stanów W , które taki ruch może zajmować, gdzie k jest stałą Boltzmanna .

W następnym roku, 1876, inżynier chemik Willard Gibbs opublikował mało znany 300-stronicowy artykuł zatytułowany: On the Equilibrium of Heterogeneous Substances , w którym sformułował jedną wielką równość, równanie energii swobodnej Gibbsa , które sugerowało miarę ilości „użytecznej pracy „osiągalne w układach reagujących. Gibbs zapoczątkował również koncepcję, którą obecnie znamy jako entalpię H , nazywając ją „funkcją ciepła dla stałego ciśnienia”. Współczesne słowo entalpia zostało ukute wiele lat później przez Heike Kamerlingh Onnes , który oparł ją na greckim słowie enthalpein oznaczającym ciepło .

Opierając się na tych fundamentach, tacy jak Lars Onsager , Erwin Schrödinger i Ilya Prigogine oraz inni działali, wprowadzając te „koncepcje” silników na arterię niemal każdej współczesnej gałęzi nauki.

Teoria kinetyczna

Główny artykuł: Kinetyczna teoria gazów

Pomysł, że ciepło jest formą ruchu , jest prawdopodobnie starożytny i z pewnością został omówiony przez Francisa Bacona w 1620 r. w jego Novum Organum . Pierwszą pisemną refleksję naukową na temat mikroskopijnej natury ciepła można znaleźć prawdopodobnie w pracy Michaiła Łomonosowa , w której napisał:

„(..) nie należy zaprzeczać ruchowi na podstawie tego, że go nie widać. Któż zaprzeczy, że liście drzew poruszają się pod wpływem wiatru, mimo że jest to niewidoczne z dużej odległości? Tak jak w tym przypadku ruch pozostaje ukryty ze względu na perspektywę pozostaje ukryty w ciepłych ciałach ze względu na niezwykle małe rozmiary poruszających się cząstek. W obu przypadkach kąt widzenia jest tak mały, że nie widać ani obiektu, ani jego ruchu."

W tych samych latach Daniel Bernoulli opublikował swoją książkę Hydrodynamika (1738), w której wyprowadził równanie na ciśnienie gazu, biorąc pod uwagę zderzenia jego atomów ze ściankami pojemnika. Udowodnił, że ciśnienie to stanowi dwie trzecie średniej energii kinetycznej gazu w jednostce objętości. [ potrzebne źródło ] Pomysły Bernoulliego miały jednak niewielki wpływ na dominującą kulturę kaloryczną. Bernoulli nawiązał do vis viva Gottfrieda Leibniza , wczesnego sformułowania zasady zachowanie energii , a obie teorie zostały ściśle splecione w całej swojej historii. Chociaż Benjamin Thompson zasugerował, że ciepło jest formą ruchu w wyniku jego eksperymentów w 1798 r., Nie podjęto żadnej próby pogodzenia podejścia teoretycznego i eksperymentalnego i jest mało prawdopodobne, aby myślał o zasadzie vis viva .

John Herapath później niezależnie sformułował teorię kinetyczną w 1820 roku, ale błędnie powiązał temperaturę z pędem , a nie vis viva lub energią kinetyczną . Jego praca ostatecznie nie przeszła recenzji i została zaniedbana. John James Waterston w 1843 roku dostarczył w dużej mierze dokładnej relacji, ponownie niezależnie, ale jego praca spotkała się z takim samym przyjęciem, nie recenzowana nawet przez kogoś tak dobrze usposobionego do zasady kinetycznej jak Davy [ niejednoznaczne ] .

Dalszy postęp w teorii kinetycznej rozpoczął się dopiero w połowie XIX wieku, wraz z pracami Rudolfa Clausiusa , Jamesa Clerka Maxwella i Ludwiga Boltzmanna . W swojej pracy z 1857 r. O naturze ruchu zwanego ciepłem Clausius po raz pierwszy wyraźnie stwierdza, że ​​ciepło jest średnią energią kinetyczną cząsteczek. Zainteresowało to Maxwella, który w 1859 roku wyprowadził rozkład pędu, nazwany później jego imieniem. Boltzmann następnie uogólnił swój rozkład na przypadek gazów w polach zewnętrznych.

Boltzmann jest prawdopodobnie najbardziej znaczącym współtwórcą teorii kinetycznej, ponieważ wprowadził do niej wiele podstawowych pojęć. Oprócz rozkładu Maxwella-Boltzmanna powiązał również energię kinetyczną cząstek z ich stopniami swobody . Równanie Boltzmanna dla funkcji rozkładu gazu w stanach nierównowagowych jest nadal najskuteczniejszym równaniem do badania zjawisk transportu w gazach i metalach. Wprowadzając pojęcie prawdopodobieństwa termodynamicznego jako liczbę mikrostanów odpowiadającą bieżącemu makrostanowi wykazał, że jego logarytm jest proporcjonalny do entropii.

Działy termodynamiki

Poniższa lista to przybliżony zarys dyscyplinarny głównych gałęzi termodynamiki i czasu ich powstania:

Pojęcia termodynamiki znalazły zastosowanie także w innych dziedzinach, np.:

Entropia i drugie prawo

Osobny artykuł: Historia entropii

Mimo że pracował z teorią kalorii, Sadi Carnot w 1824 roku zasugerował, że część kalorii dostępnych do generowania użytecznej pracy jest tracona w każdym rzeczywistym procesie. W marcu 1851 roku, zmagając się z pracami Jamesa Prescotta Joule'a , Lord Kelvin zaczął spekulować, że we wszystkich procesach następuje nieunikniona utrata użytecznego ciepła. Pomysł ten został sformułowany jeszcze bardziej dramatycznie przez Hermanna von Helmholtza w 1854 roku, dając początek widmu śmierci cieplnej wszechświata .

W 1854 roku William John Macquorn Rankine zaczął wykorzystywać w obliczeniach to, co nazwał swoją funkcją termodynamiczną . Następnie wykazano, że jest to identyczne z koncepcją entropii sformułowaną przez Rudolfa Clausiusa w 1865 r. Clausius wykorzystał tę koncepcję do rozwinięcia swojego klasycznego stwierdzenia drugiej zasady termodynamiki w tym samym roku.

Przenikanie ciepła

Główny artykuł: Przenikanie ciepła

Zjawisko przewodzenia ciepła jest natychmiast ujmowane w życiu codziennym. W 1701 roku Sir Isaac Newton opublikował swoje prawo ochładzania . Jednak w XVII wieku zaczęto wierzyć, że wszystkie materiały mają identyczną przewodność, a różnice w odczuwaniu wynikają z ich różnej pojemności cieplnej .

Sugestie, że może tak nie być, pochodziły z nowej nauki o elektryczności , w której łatwo było zauważyć, że niektóre materiały są dobrymi przewodnikami elektrycznymi, a inne skutecznymi izolatorami. Jan Ingen-Housz w latach 1785-9 dokonał jednych z najwcześniejszych pomiarów, podobnie jak Benjamin Thompson w tym samym okresie.

Fakt, że ciepłe powietrze unosi się do góry i znaczenie tego zjawiska dla meteorologii, po raz pierwszy zdał sobie sprawę Edmund Halley w 1686 r. Sir John Leslie zauważył, że efekt chłodzenia strumienia powietrza wzrastał wraz z jego prędkością w 1804 r.

. Carl Wilhelm Scheele odróżnił przenoszenie ciepła przez promieniowanie cieplne (ciepło promieniowania) od tego przez konwekcję i przewodzenie. W 1791 r. Pierre Prévost wykazał, że wszystkie ciała emitują ciepło, bez względu na to, jak bardzo są gorące lub zimne. W 1804 roku Leslie zauważył, że matowa czarna powierzchnia emituje ciepło skuteczniej niż powierzchnia polerowana, co sugeruje znaczenie promieniowania ciała doskonale czarnego . Chociaż podejrzewano to nawet na podstawie prac Scheele'a, w 1831 roku Macedonio Melloni wykazał, że promieniowanie ciała doskonale czarnego może zostać odbite , załamuje się i jest spolaryzowana w taki sam sposób jak światło.

Spostrzeżenie Jamesa Clerka Maxwella z 1862 r., że zarówno światło, jak i promieniowanie cieplne są formami fali elektromagnetycznej , doprowadziło do rozpoczęcia ilościowej analizy promieniowania cieplnego. W 1879 roku Jožef Stefan zauważył, że całkowity strumień promieniowania ciała doskonale czarnego jest proporcjonalny do czwartej potęgi jego temperatury i sformułował prawo Stefana-Boltzmanna . Prawo zostało teoretycznie wyprowadzone przez Ludwiga Boltzmanna w 1884 roku.

Zero absolutne

W 1702 roku Guillaume Amontons przedstawił koncepcję zera absolutnego opartą na obserwacjach gazów . W 1810 roku Sir John Leslie sztucznie zamroził wodę. Idea zera absolutnego została uogólniona w 1848 roku przez Lorda Kelvina. W 1906 roku Walther Nernst sformułował trzecią zasadę termodynamiki .

Termodynamika kwantowa

W 1900 roku Max Planck znalazł dokładny wzór na widmo promieniowania ciała doskonale czarnego. Dopasowanie nowych danych wymagało wprowadzenia nowej stałej, znanej jako stała Plancka , podstawowej stałej współczesnej fizyki. Patrząc na promieniowanie jako pochodzące z oscylatora wnękowego w równowadze termicznej, wzór sugerował, że energia we wnęce występuje tylko jako wielokrotność częstotliwości pomnożonej przez stałą. Oznacza to, że jest skwantyzowany. Pozwoliło to uniknąć rozbieżności, do których teoria prowadziłaby bez kwantyzacji.

Zobacz też

Dalsza lektura

  •   Cardwell, DSL (1971). Od Watta do Clausiusa: wzrost termodynamiki we wczesnej epoce przemysłowej . Londyn: Heinemann. ISBN 978-0-435-54150-7 .
  •   Leff, HS; Rex, AF, wyd. (1990). Demon Maxwella: entropia, informacja i informatyka . Bristol: Adam Hilger. ISBN 978-0-7503-0057-5 .

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=History_of_thermodynamics&oldid=1127801891 ”