Скотт Бембенек - Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали

Эту формулу легко выводят на примере такой системы: идеальный газ выступает в качестве рабочего тела и затем проходит процесс с четырьмя циклами: 1) изотермическое расширение (при постоянной температуре) при температуре нагревателя; 2) адиабатное (без потери или поглощения тепла) расширение, приводящее к охлаждению до температуры холодильника; 3) изотермическое сжатие при температуре холодильника; и 4) адиабатное сжатие, которое приводит к нагреванию газа обратно до температуры нагревателя, таким образом возвращая газ к его исходному состоянию, когда он готов снова начать цикл. Вспомните, что конструкция обратимого теплового двигателя Карно может быть разной, поэтому использование идеального газа в качестве рабочего тела необходимо для математического удобства и не влияет на итоговую формулу.

Эффективность определяется как величина работы, разделенная на количество вводимой теплоты от горячего нагревателя (источника).

Тот факт, что первое начало требует сохранения энергии, и невозможность работы ни одного теплового двигателя со 100 %-ной эффективностью связаны с тем, что при работе теплового двигателя требуется передача тепла из холодного резервуара в горячий.

Обратите внимание, что если T х= T н, то производительность равна нулю. Это означает, что тепловой двигатель не работает без разницы температур, о чем и говорит второе начало , сформулированное Томсоном.

Подумайте об этом, когда в следующий раз будете сидеть за рулем автомобиля: он работает гораздо лучше, если снаружи холодно.

Хотя не до конца ясно, почему мемуары Карно не оказали большего влияния на свою целевую аудиторию — физиков и инженеров; вероятно, так случилось из-за стиля, в котором они были написаны. Карно написал свои мемуары в популяризированном стиле, редко используя математические уравнения, скромно вставляя их в сноски. Однако для инженеров работа была все еще слишком теоретической; с другой стороны, ученые, которые были привычны к теоретическому подходу, не восприняли работу всерьез, поскольку ей не хватало математических данных. В результате Карно потерял аудиторию в лице и тех, и других. Карно не сделал ничего, чтобы помочь продажам «Размышлений». Он посвятил все свое время научным исследованиям и никогда не издавался вновь.

Очевидно, Томсон безуспешно искал в парижских книжных магазинах копию оригинальной работы Карно.

Объединение по каким-либо признакам тех или иных природных явлений всегда было важнейшей темой в науке. Физика долгое время пыталась объединить четыре фундаментальных вида взаимодействия силы: электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие, а также силу гравитации. Объединение электрических и магнитных сил привело к появлению понятия электромагнетизма, а последующее объединение электромагнетизма со слабым взаимодействием — к электрослабому воздействию.

Теория, подобная теории Фурье, в которой учитывается поведение рассматриваемого объекта (тепла), но при этом остаются вопросы о причинах этого поведения, известна как феноменологическая теория.

Мы уже знакомы с этим подходом — мы встречали его, когда исследовали обратимый тепловой двигатель Карно. Вспомните, что Карно устранил основные детали из своей модели теплового двигателя, такие как рабочее тело, механическую конструкцию и материалы, используемые в строительстве. Подход такого типа часто используется в физике.

Использование Томсоном слова «энергия» было первым шагом к пониманию его значения в сегодняшнем смысле. Это было важным событием, потому что у понятия энергии была долгая история, в которой ее часто использовали крайне двусмысленно (и неправильно), часто наравне со словом «сила».

Большую часть работы Клазиус написал до 1870 года, в котором произошли два, вероятно, главных события в его жизни. В 1870 году, во время Франко-прусской войны, когда он служил в корпусе медиков, его сильно ранили в колено, и всю жизнь он страдал от боли из-за этой травмы. Кроме того, его жена трагически умерла при родах, и он принял на себя ответственность за воспитание шести маленьких детей. Позже, когда ему уже было около шестидесяти, он женился снова.

Как мы узнали из первой части, природа материи затрудняла понимание энергии, в частности тепла. Когда Томсон написал «Динамическую теорию тепла» в 1850 году, многие исследователи, такие как Джоуль, Майер, Гельмгольц и Клаузиус, начинали принимать тот факт, что материя состоит из меньших частиц (которые мы сегодня называем атомами), но никто из них не был готов свести это воедино, подкрепив теоретическими формулировками.

Для полноты картины предположите, что воздух не может покинуть здание или войти в него; как видите, я хорошо все продумал.

Здесь мы говорили о работе с точки зрения теплового двигателя, который преобразовывает тепло в работу. Обратите внимание, что здесь мы все еще применяем наше оригинальное определение работы. В тепловом двигателе рабочее тело поглощает тепло, которое заставляет его расширяться. В результате этого рабочее тело воздействует на объект, таким образом заставляя его отодвинуться на определенное расстояние; рабочее тело действует на объект с силой, чтобы переместить его.

Важно понять, что мы не должны знать точный принцип, по которому происходит нагревание или работа, чтобы определить энергетическое изменение системы. Мы просто должны определить количество тепла или работы, которые приобретает или теряет система. Детали того, что продолжает происходить в границах системы не важны, пока мы не определим это количество.

Если бы вы, например, должны были размешать воду, для этого вы бы производили работу. Процесс помешивания изменит энергию, добавляя в воду кинетическую энергию.

Внутренняя энергия (как считается сегодня) относится к кинетической и потенциальной энергии молекул, составляющих интересующую нас систему. Среднее значение их количеств и есть то, что мы называем внутренней энергией системы. Чтобы лучше понять, почему мы берем именно среднее значение, давайте еще раз рассмотрим наш стакан воды как систему. Стакан воды состоит из множества отдельных молекул воды, которые движутся при комнатной температуре. Мы не увидим этого невооруженным глазом, но можем проверить при помощи эксперимента. Поскольку молекулы перемещаются в стакане воды, их потенциальная энергия и кинетическая энергия изменятся, а общая энергия — нет, если система, как упоминалось, является закрытой. Но так как потенциальная и кинетическая энергии молекул со временем постоянно изменяются за счет их движения, то для определения внутренней энергии важно именно среднее значение (за некоторое время).