Hukum kedua termodinamik. Sejarah dan intipati penemuan saintifik

PENEMUAN SAINTIFIK PALING PENTING
Perpustakaan percuma / Buku Panduan / Penemuan saintifik yang paling penting

Hukum kedua termodinamik. Sejarah dan intipati penemuan saintifik

Penemuan saintifik yang paling penting

Buku Panduan / Penemuan saintifik yang paling penting

Orang Inggeris Humphrey Davy (1788-1829) menjadi profesor pada usia 23 tahun, memperoleh banyak anugerah saintifik dan awam, dan selain itu, dia menambah layanan "tuan" pada namanya, dipilih sebagai presiden Royal Society of London.

Semasa hayatnya yang panjang dalam sains, dia menjalankan banyak eksperimen yang berjaya. Pada awal abad kesembilan belas, Davy berjaya mencairkan ais melalui geseran pada suhu di bawah sifar. Kemudian, pengalaman itu diulangi oleh saintis Rusia Petrov. Benjamin Thompson (1753-1814), yang berhijrah dari Amerika selepas kemenangan Perang Kemerdekaan dan menerima gelaran Count Rumford di Bavaria, yang diterbitkan pada tahun 1798 hasil eksperimen pada laras meriam penggerudian. Dalam salah satu eksperimennya, pada 960 pusingan gerudi, suhu silinder gerudi meningkat sebanyak 37 darjah Celsius.

Davy membuat kesimpulan bahawa teori kalori tidak serasi dengan eksperimen Rumfoord dan eksperimennya sendiri, dan mengemukakan teori kinetik haba, mengikut mana haba mewakili gerakan ayunan zarah badan, dan untuk gas dan cecair , dia juga membenarkan gerakan putaran zarah. Jung juga menyertai teori getaran haba.

Namun teori kalori terus mendominasi. Dua karya paling asas mengenai teori haba yang berkaitan dengan tempoh yang sedang dipertimbangkan, karya yang telah memasuki tabung emas kesusasteraan saintifik, adalah berdasarkan konsep kalori. Karya pertama ini, Fourier's Analytical Theory of Heat, diterbitkan pada tahun 1822 di Paris dan merupakan hasil penyelidikannya selama bertahun-tahun dalam bidang fizik matematik.

Satu lagi esei kepunyaan anak lelaki ahli matematik Perancis terkenal Lazar Carnot, Sadi Carnot. Nicolò Léonard Sadi Carnot (1796–1832) belajar di Sekolah Politeknik. Sejak 1814 beliau telah bekerja sebagai jurutera tentera, dan sejak 1819 beliau telah menjadi leftenan di kakitangan am. Sebagai anak kepada menteri republik dalam buangan, Carnot tidak boleh dinaikkan pangkat dan bersara pada tahun 1828. Dia meninggal dunia akibat taun. Esei Meditation on the Motive Force of Fire, yang diterbitkan pada tahun 1824, adalah satu-satunya karya Carnot yang telah siap.

Carnot menulis: "Haba tidak lain adalah daya penggerak, atau lebih tepatnya, pergerakan yang telah berubah bentuknya; ia adalah pergerakan zarah jasad; di mana sahaja pemusnahan daya penggerak berlaku, haba timbul dalam jumlah yang betul-betul berkadar dengan jumlah daya penggerak yang hilang.Sebaliknya : sentiasa dengan hilangnya haba terdapat daya penggerak.

Oleh itu, adalah mungkin untuk menyatakan kedudukan umum: daya penggerak wujud dalam alam semula jadi dalam jumlah yang tidak berubah; ia, secara tegasnya, tidak pernah dicipta, tidak pernah dimusnahkan; sebenarnya, ia berubah bentuk, iaitu, ia menyebabkan kini satu jenis pergerakan, kemudian yang lain, tetapi tidak pernah hilang.

Mengikut beberapa idea yang saya ada tentang teori haba, penciptaan unit daya memerlukan perbelanjaan sebanyak 2,7 unit haba.

Mengenai garis ini, saintis Perancis terkenal Henri Poincaré berseru dengan kagum pada tahun 1892: "Adakah mungkin untuk menyatakan undang-undang pemuliharaan tenaga dengan lebih jelas dan lebih tepat?"

Sebagai seorang jurutera, Carnot terlibat dalam pengiraan dan pembinaan enjin air. Tetapi oleh kerana pada masa itu enjin wap semakin digunakan di seluruh Perancis, jurutera muda itu mula berminat untuk mencipta teori enjin haba.

Pada masa itu, sains didominasi oleh pandangan bahawa haba adalah bahan. Tetapi Sadi Carnot memutuskan untuk menjawab salah satu soalan yang paling sukar dalam fizik; Dalam keadaan apa yang mungkin untuk menukar haba kepada kerja? Memahami pengiraan enjin air, Carnot menyamakan haba dengan air.

Dia tahu betul bahawa untuk membolehkan kilang air berfungsi, satu syarat diperlukan - air mesti jatuh dari paras tinggi ke paras rendah. Carnot mencadangkan agar haba melakukan kerja, ia juga mesti bergerak dari paras tinggi ke paras rendah, dan perbezaan ketinggian air sepadan dengan perbezaan suhu untuk haba.

Pada tahun 1824, Sadi Carnot menyatakan idea itu, berkat yang dia turunkan dalam sejarah: untuk pengeluaran kerja dalam enjin haba, perbezaan suhu diperlukan, dua sumber haba dengan suhu yang berbeza diperlukan. Kenyataan dalam teori Carnot ini adalah yang utama dan dipanggil prinsip Carnot. Berdasarkan prinsip yang dia perolehi, Carnot menghasilkan kitaran enjin haba yang ideal, yang mana tiada enjin sebenar boleh mengatasinya.

Mesin yang ideal, menurut Carnot, adalah silinder ringkas dengan omboh. Dinding bawah silinder mempunyai kekonduksian terma yang ideal, ia boleh diletakkan pada permukaan yang panas, contohnya, pada permukaan pemanas yang dipenuhi dengan campuran plumbum cair dan pepejal, atau pada permukaan peti sejuk, contohnya, dengan campuran air dan ais. Kedua-dua sumber haba adalah sangat besar.

Undang-undang kedua termodinamik menyatakan bahawa mesin gerakan kekal jenis kedua adalah mustahil. Pernyataan ini adalah parafrasa prinsip Carnot, dan oleh itu kecekapan mesin yang beroperasi pada kitaran Carnot tidak boleh bergantung pada bahan yang digunakan dalam kitaran.

Carnot menerangkan kitaran operasi enjin haba yang ideal, menunjukkan cara mengira kecekapan maksimumnya.

Untuk melakukan ini, hanya perlu mengetahui suhu tertinggi dan terendah wap air (atau mana-mana penyejuk lain, seperti yang dinyatakan Carnot) yang digunakan dalam mesin ini. Perbezaan antara suhu ini, dibahagikan dengan nilai suhu tinggi, sama dengan kecekapan mesin. Suhu mesti dinyatakan dalam darjah skala Kelvin mutlak. Persamaan ini dipanggil undang-undang kedua termodinamik, dan semua teknologi mematuhinya.

Pengiraan mengikut formula Carnot menunjukkan bahawa enjin haba pertama tidak boleh mempunyai kecekapan yang lebih tinggi daripada 7-8 peratus, dan jika kita mengambil kira kebocoran haba yang tidak dapat dielakkan ke atmosfera, maka nilai yang terhasil 2-3 peratus sepatutnya diiktiraf sebagai pencapaian yang bermakna...

Dengan cepat, bersama-sama dengan wap, seperti yang diramalkan Carnot, gas juga digunakan dalam turbin, yang boleh dipanaskan pada suhu tinggi. Jika suhu gas panas dalam turbin ialah 800 darjah Kelvin (527 darjah Celsius), dan peti sejuk mengurangkannya kepada 300 darjah Kelvin, maka kecekapan maksimum mesin, walaupun dalam kes kitaran Carnot yang ideal, tidak boleh lebih tinggi daripada 62 peratus. Kehilangan haba yang tidak dapat dielakkan membawa, seperti biasa, kepada penurunan dalam angka ini. Contoh terbaik turbin yang dipasang di loji kuasa moden mempunyai kecekapan 35-40 peratus.

Carnot menunjukkan ciri khusus haba. Haba mencipta kerja mekanikal hanya dengan "perbezaan" terma, iaitu, kehadiran perbezaan suhu. Perbezaan suhu ini menentukan kecekapan enjin haba. Paul Clapeyron pada tahun 1834 mengembangkan idea Carnot dan memperkenalkan kaedah grafik yang sangat berharga dalam kajian termodinamik.

Pada tahun 1850, karya pertama Rudolf Clausius (1822-1888) "Mengenai daya penggerak haba" telah diterbitkan, di mana sekali lagi, selepas Carnot dan Clapeyron, persoalan dibangkitkan mengenai syarat untuk menukar haba menjadi kerja. Prinsip pemuliharaan tenaga, hanya memerlukan kesaksamaan kuantitatif, tidak mengenakan sebarang syarat untuk transformasi kualitatif tenaga. Dalam karya ini, Clausius menganalisis teori Carnot dari sudut pandangan baru, dari sudut teori mekanikal haba.

Karya Carnot baru-baru ini telah dibangkitkan daripada abu kelalaian oleh William Thomson (Lord Kelvin) (1824–1907). "Thomson mengakui," PS Kudryavtsev menulis dalam bukunya "History of Physics," bahawa pandangan Carnot bahawa haba dalam mesin hanya diagihkan semula, tetapi tidak digunakan, adalah salah." Tetapi pada masa yang sama, dia menunjukkan bahawa jika kita meninggalkan kesimpulan Carnot mengenai syarat-syarat untuk transformasi haba menjadi kerja, maka kesukaran yang tidak dapat diatasi akan dihadapi. Thomson menyimpulkan bahawa teori haba memerlukan penstrukturan semula yang serius dan penyelidikan eksperimen tambahan. Dalam karyanya, Clausius percaya bahawa bersama-sama dengan undang-undang pertama, yang mengatakan, "bahawa dalam semua kes apabila haba menghasilkan kerja, jumlah haba digunakan berkadar dengan kerja yang diterima," kedudukan Carnot harus dikekalkan sebagai undang-undang kedua, bahawa kerja terhasil apabila haba berpindah dari badan yang lebih panas kepada yang lebih sejuk. Kedudukan ini, menurut Clausius, adalah konsisten dengan sifat haba, di mana sentiasa terdapat peralihan haba "dengan sendirinya" dari badan panas ke sejuk, dan bukan sebaliknya.

Sebagai prinsip kedua, Clausius mengemukakan postulat: "Haba tidak boleh "dengan sendirinya" berpindah dari badan yang lebih sejuk kepada badan yang lebih panas." Perkataan "dengan sendirinya" tidak sepatutnya bermakna bahawa haba tidak boleh dipindahkan sama sekali dari badan sejuk kepada yang dipanaskan (jika tidak, mesin penyejukan tidak akan dapat dilakukan). Mereka bermaksud bahawa tidak boleh ada proses sedemikian, satu-satunya hasil yang akan menjadi peralihan yang disebutkan, tanpa perubahan "pampasan" lain yang sepadan.

Kerja ini diikuti hampir serentak pada tahun 1851 oleh tiga kertas kerja Thomson. Setelah meneliti persoalan transformasi pelbagai bentuk tenaga dari sudut pandangan kuantitatif, Thomson menunjukkan bahawa dengan nilai kuantitatif yang sama, tidak semua jenis tenaga mampu berubah pada tahap yang sama. Sebagai contoh, terdapat keadaan di mana penukaran haba kepada kerja adalah mustahil. Postulat Thomson berkata:

"Adalah mustahil, melalui jasad tidak bernyawa, untuk mendapatkan tindakan mekanikal daripada sebarang jisim jirim dengan menyejukkan suhunya di bawah suhu badan paling sejuk di sekeliling."

Membangunkan kedudukan ini, Thomson dalam karyanya pada tahun 1857 membuat kesimpulan yang terkenal tentang kecenderungan dominan dalam alam semula jadi untuk menukar tenaga kepada haba dan untuk menyamakan suhu, yang akhirnya membawa kepada penurunan kecekapan semua badan kepada sifar, kepada haba. kematian.

Pada tahun 1854, Clausius dalam artikelnya "Mengenai bentuk diubah suai undang-undang kedua teori haba mekanikal" membuktikan teorem Carnot, berdasarkan postulatnya, dan, secara umum, memberikan ungkapan matematik undang-undang kedua dalam bentuk ketidaksamaan untuk proses pekeliling.

Dalam kerja-kerja berikutnya, Clausius memperkenalkan fungsi keadaan "entropi" dan memberikan rumusan matematik arah aliran, dilihat oleh Thomson, dalam bentuk kedudukan "Entropi alam semesta cenderung kepada maksimum." Jadi, dalam fizik, bersama dengan "ratu dunia" (tenaga), "bayangan" (entropi)nya muncul. Clausius sendiri pada akhir karyanya pada tahun 1865 menulis: "Undang-undang kedua, dalam bentuk yang saya berikan, mengatakan bahawa semua transformasi yang berlaku dalam alam semula jadi ke arah tertentu, yang saya ambil sebagai positif, boleh berlaku dengan sendirinya. , iaitu tanpa pampasan, tetapi sebaliknya, iaitu, dalam arah negatif, ia boleh berlaku hanya jika ia diberi pampasan oleh transformasi positif yang berlaku serentak dengannya.

Menggunakan prinsip ini kepada seluruh alam semesta membawa kepada kesimpulan yang pertama kali ditunjukkan oleh William Thomson. Sesungguhnya, jika untuk semua perubahan yang berlaku di Alam Semesta, keadaan transformasi dalam satu arah tertentu sentiasa mengatasi magnitud berbanding transformasi dalam arah yang bertentangan, maka "keadaan umum Alam Semesta mesti berubah lebih dan lebih ke arah pertama, dan dengan itu ia mesti sentiasa menghampiri keadaan had.

Pengarang: Samin D.K.

Kami mengesyorkan artikel yang menarik bahagian Penemuan saintifik yang paling penting:

▪ Gangguan

▪ Undang-undang Hubble

▪ Mikroba

Lihat artikel lain bahagian Penemuan saintifik yang paling penting.

Baca dan tulis berguna komen pada artikel ini.

<< Belakang

Berita terkini sains dan teknologi, elektronik baharu:

Kulit tiruan untuk emulasi sentuhan 15.04.2024

Dalam dunia teknologi moden di mana jarak menjadi semakin biasa, mengekalkan hubungan dan rasa dekat adalah penting. Perkembangan terkini dalam kulit tiruan oleh saintis Jerman dari Universiti Saarland mewakili era baharu dalam interaksi maya. Penyelidik Jerman dari Universiti Saarland telah membangunkan filem ultra nipis yang boleh menghantar sensasi sentuhan dari jauh. Teknologi canggih ini menyediakan peluang baharu untuk komunikasi maya, terutamanya bagi mereka yang mendapati diri mereka jauh daripada orang tersayang. Filem ultra-nipis yang dibangunkan oleh penyelidik, hanya 50 mikrometer tebal, boleh disepadukan ke dalam tekstil dan dipakai seperti kulit kedua. Filem ini bertindak sebagai penderia yang mengenali isyarat sentuhan daripada ibu atau ayah, dan sebagai penggerak yang menghantar pergerakan ini kepada bayi. Ibu bapa yang menyentuh fabrik mengaktifkan penderia yang bertindak balas terhadap tekanan dan mengubah bentuk filem ultra-nipis. ini ...>>

Petgugu Global kotoran kucing 15.04.2024

Menjaga haiwan peliharaan selalunya boleh menjadi satu cabaran, terutamanya dalam hal menjaga kebersihan rumah anda. Penyelesaian menarik baharu daripada pemula Global Petgugu telah dipersembahkan, yang akan menjadikan kehidupan lebih mudah bagi pemilik kucing dan membantu mereka memastikan rumah mereka bersih dan kemas dengan sempurna. Startup Petgugu Global telah melancarkan tandas kucing unik yang boleh menyiram najis secara automatik, memastikan rumah anda bersih dan segar. Peranti inovatif ini dilengkapi dengan pelbagai sensor pintar yang memantau aktiviti tandas haiwan kesayangan anda dan diaktifkan untuk membersihkan secara automatik selepas digunakan. Peranti ini bersambung ke sistem pembetung dan memastikan penyingkiran sisa yang cekap tanpa memerlukan campur tangan daripada pemilik. Selain itu, tandas mempunyai kapasiti storan boleh siram yang besar, menjadikannya sesuai untuk isi rumah berbilang kucing. Mangkuk sampah kucing Petgugu direka bentuk untuk digunakan dengan sampah larut air dan menawarkan pelbagai jenis tambahan ...>>

Daya tarikan lelaki penyayang 14.04.2024

Stereotaip bahawa wanita lebih suka "budak jahat" telah lama tersebar luas. Walau bagaimanapun, penyelidikan baru-baru ini yang dijalankan oleh saintis British dari Universiti Monash menawarkan perspektif baru mengenai isu ini. Mereka melihat bagaimana wanita bertindak balas terhadap tanggungjawab emosi lelaki dan kesanggupan untuk membantu orang lain. Penemuan kajian itu boleh mengubah pemahaman kita tentang perkara yang menjadikan lelaki menarik kepada wanita. Kajian yang dijalankan oleh saintis dari Universiti Monash membawa kepada penemuan baharu tentang daya tarikan lelaki kepada wanita. Dalam eksperimen itu, wanita ditunjukkan gambar lelaki dengan cerita ringkas tentang tingkah laku mereka dalam pelbagai situasi, termasuk reaksi mereka terhadap pertemuan dengan gelandangan. Sebahagian daripada lelaki itu tidak mengendahkan gelandangan itu, manakala yang lain membantunya, seperti membelikan dia makanan. Kajian mendapati lelaki yang menunjukkan empati dan kebaikan lebih menarik perhatian wanita berbanding lelaki yang menunjukkan empati dan kebaikan. ...>>

Berita rawak daripada Arkib

Bateri debunga 25.02.2016

Debunga adalah beban bagi lebah dan penderitaan bagi penghidap alahan. Tetapi ia juga boleh berfungsi sebagai cara yang berkesan untuk kita menyimpan tenaga. Penyelidik telah memikirkan cara menukar butiran debunga menjadi anod, komponen bateri.

Untuk mengubah debunga menjadi anod, saintis memanaskan debunga ke titik di mana ia bertukar menjadi karbon menggunakan proses pirolisis. Tidak seperti pembakaran biasa, proses ini berlaku tanpa oksigen, dan debunga tidak menyala, tetapi bertukar menjadi biochar, yang mengekalkan bentuk debunga. Kemudian ia dipanaskan semula dengan penyertaan oksigen, proses ini meningkatkan jumlah tenaga yang disimpan dalam anod.

Anod debunga direka untuk mengisi ruang yang kini diduduki oleh anod grafit dalam bateri lithium-ion biasa.

Para penyelidik menguji dua jenis debunga yang berbeza: satu dikumpulkan daripada lebah, di mana debunga daripada tumbuhan berbeza ditemui, dan satu daripada buluh, yang mempunyai struktur yang lebih seragam. Ternyata debunga buluh mempunyai penunjuk yang lebih tinggi sedikit daripada debunga lebah, tetapi lebih mudah untuk mengumpul debunga dari lebah. Pada masa akan datang, para penyelidik merancang untuk menjalankan eksperimen mengenai penggunaan anod tersebut dalam bateri sebenar. "Kami pada dasarnya telah mencipta konsep yang menarik sekarang," kata penyelidik Vilas Pol. "Hanya kerja lanjutan akan menunjukkan betapa praktikalnya ia akan menjadi."

Berita menarik lain:

▪ Enjin air angkasa

▪ bahasa berwarna

▪ Everest akan membina stesen cuaca tertinggi

▪ Drone mengejar merpati

▪ Komputer akan meningkatkan hasil tuaian

Suapan berita sains dan teknologi, elektronik baharu

Bahan-bahan menarik Perpustakaan Teknikal Percuma:

▪ Bahagian peralatan audio tapak. Pemilihan artikel

▪ artikel Jangan goda saya tanpa perlu. Ungkapan popular

▪ artikel Siapa yang Mencipta Termometer? Jawapan terperinci

▪ pasal Galaganiya berbau. Legenda, penanaman, kaedah aplikasi

▪ artikel Penjana sinusoidal pada litar mikro digital. Ensiklopedia elektronik radio dan kejuruteraan elektrik

▪ artikel Lampu berwarna. Fokus rahsia

Tinggalkan komen anda pada artikel ini:

Semua bahasa halaman ini

Laman utama | Perpustakaan | artikel | Peta Laman | Ulasan laman web