Antonio Rojo - Физике становится тепло. Лорд Кельвин. Классическая термодинамика

«Всегда, когда разрушается движущая сила, существует одновременное производство некоторого количества тепла, точно пропорциональное разрушенной движущей силе. И наоборот, всегда, когда происходит разрушение тепла, образуется движущая сила».

Это то же самое, что говорил Джоуль десять лет спустя.

В начале 1851 года Томсон был избран фото Лондонского королевского общества. В то время он только что открыл явление, известное сегодня как эффект Томсона. Ученый изучал образование тепла в проводнике, по которому шел ток, при этом концы проводника были нагреты до разной температуры, и заметил, что, помимо образования тепла в соответствии с эффектом Джоуля, некоторое его количество могло производиться или поглощаться в зависимости от направления тока. Анализ этого эффекта позволил Томсону объяснить два других известных термоэлектрических эффекта — Зеебека и Пельтье.

В 1852 году Томсон вместе с Джоулем начал работать над рядом экспериментов по тепловым эффектам. Результатом этих исследований было открытие эффекта Джоуля — Томсона, в котором описано изменение температуры газа при прохождении через сужение или пористую пробку, без обмена теплом с окружающей средой. Почти все газы, за исключением таких, как водород, гелий и неон, при этом процессе охлаждаются, что и используется в холодильных системах.

Под названием термоэлектрических эффектов известно три физических явления: эффект Зеебека, открытый в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком, эффект Пельтье, открытый в 1834 году французским физиком Жаном Шарлем Атаназом Пельтье, и эффект Томсона, открытый в 1851 году Уильямом Томсоном.

Он состоит в появлении электрического тока (который можно зафиксировать с помощью амперметра) в цепи, образованной двумя биметаллическими соединениями, когда между этими соединениями устанавливается разница температур (см. рисунок 1). Зеебек открыл это явление, когда заметил, что компас вблизи этой цепи смещается. Самое прямое применение эффекта — термопара, то есть прибор, позволяющий определить на основе произведенного тока разницу температур между горячей и теплой узловыми точками.

Также этот эффект используют термоэлектрические генераторы, превращая остаточное тепло (например, на заводе по производству электричества) в дополнительное электричество.

РИС 1

Эффект Зеебека

Он проявляется при пропускании тока через соединение двух различных металлов, при этом производится или поглощается тепло. В соответствии с законом Джоуля при протекании тока через вещество производится некоторое количество тепла (QДжоуль), пропорциональное квадрату силы тока. Пельтье также заметил, что в соединении этих двух материалов тепло производится (+QПельтье) или поглощается (-QПельтье) в зависимости от направления движения тока, которое можно инвертировать, изменив полюса батареи (см. рисунок 2). На этом эффекте основан принцип действия тепловых насосов и термоэлектрических холодильников.

РИС 2

Эффект Пельтье

РИС 3

Эффект Томсона

Это нагревание или охлаждение проводника, концы которого имеют разную температуру, когда по нему течет ток. Помимо тепла, вызванного эффектом Джоуля, тепло производится (+QТомсон) или поглощается (-QТомсон) в зависимости от направления тока. Изучив открытый эффект, Томсон смог объяснить два остальных эффекта. Открытое им явление используется при охлаждении. Во всех трех случаях существует зависимость от конкретных используемых металлов, что позволяет при подходящем сочетании вызвать необходимые эффекты в соответствии с конкретными техническими потребностями.

Вклад Томсона вылился в работу «О динамической теории тепла», и это исследование может считаться первым трактатом по общей термодинамике. В шести статьях, представленных Эдинбургскому королевскому обществу, он продемонстрировал радикальное изменение своих позиций по теории теплоты. В первой из них, которая вышла в марте 1851 года, Томсон заявил об отходе от теории теплорода, с одобрением отозвался об экспериментальных результатах Джоуля и немецкого физика и врача Юлиуса фон Майера (1814-1878), которые считал основополагающими на тот момент, а также упомянул работы Клаузиуса и Ранкина как важные. В своих рассуждениях он избегал предположений о природе тепла или материальных посредников и исследовал в качестве источника информации и инструмента проверки самой теории исключительно экспериментальные факты. Важно то, что Томсон, похоже, вновь принял открытую позицию, определенную в целях работы:

« 1. Показать, какие изменения следует сделать в выводах, к которым пришел Карно [...] в отношении движущей силы тепла, если принять гипотезу динамической теории [тепла], противоположную основной гипотезе Карно.

2. Показать значение в динамической теории числовых результатов, выведенных из наблюдений Реньо о паре и сообщениях [Королевскому] Обществу, вместе с докладом о теории Карно, автором данной статьи; и показать, что если связать эти числа [...] с механическим эквивалентом тепловой единицы, полученным Джоулем, можно получить полную теорию движущей силы тепла. [...]

3. Показать некоторые значительные отношения, которые связывают физические свойства всех веществ, полученные посредством рассуждения, аналогичного рассуждению Карно, но основанных частично на противоположном принципе динамической теории».

Томсон доказал, что «любая теория движущей силы тепла основывается на двух следующих пропозициях, которым мы обязаны, соответственно, Джоулю и Карно с Клаузиусом»:

«Проп. 1 (Джоуль). Когда равные величины механического эффекта производятся любой средой из любых тепловых источников или теряются в чисто тепловых эффектах, те же самые величины тепла исчезают или производятся.

Проп. 11 (Карно и Клаузиус). Если когда машина работает в обратную сторону, все механические и физические средства каждой части ее движений обратимы, то она производит из заданного количества теплоты такой же механический эффект, какой может произвести любая термодинамическая машина, с теми же самыми температурами источника и охладителя».