Установление основ термодинамики
После открытия закона сохранения и превращения энергии в рамках теории теплоты сформировался новый раздел физики – термодинамика. Возникновение термодинамики, как указывалось выше, было связано с проблемой усовершенствования тепловых двигателей и повышения коэффициента полезного действия паровой машины. Поэтому, основоположником термодинамики можно рассматривать Сади Карно. Карно заложил основы термодинамики равновесных систем, изучая процессы перехода между состояниями равновесия. После работ Майера, Джоуля, Гельмгольца термодинамика стала развиваться на основе фундаментальных принципов (начал термодинамики), являющихся обобщением результатов многочисленных наблюдений и экспериментов.
В основе термодинамики лежат 3 независимых принципа. Закон сохранения и преобразования энергии применительно к тепловым явлениям или I начало термодинамики было аналитически записано Клаузиусом. II начало термодинамики сформулировал Томсон. III начало термодинамики было установлено Нернстом.
Томсон является автором теории тепловой смерти Вселенной, так как он первым формулирует эту концепцию, применяя законы термодинамики, во-первых, к реальным процессам, протекающим необратимо, а во-вторых, ко всему миру в целом.
Так как все наблюдаемые явления происходят необратимым путем, то во всех материальных системах имеет место процесс рассеяния механической энергии. Распространяя это положение на весь окружающий мир, Томсон пришел к выводу, что все виды энергии во Вселенной должны в конце концов перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопические процессы, так как для их протекания необходима механическая энергия. Это приведет к невозможности существования человека: «В прошлом, отстоящем на конечный промежуток времени от настоящего момента, земля находилась и спустя конечный промежуток времени она снова очутится в состоянии, непригодном для обитания человека; если только в прошлом не были проведены и в будущем не будут предприняты такие меры, которые являются неосуществимыми при наличии законов, регулирующих известные процессы, протекающие ныне в материальном мире». Таким образом, Томсон указал на существование в природе универсальной тенденции к деградации качественной механической энергии и перехода ее в некачественную тепловую энергию.
Независимо от У.Томсона в разработку основ термодинамики значительный вклад внес Рудольф Клаузиус (1822-1888).
Рудольф Клаузиус проанализировал работу идеальной тепловой машины с новой точки зрения. В отличие от Карно, Клаузиус определил, что при работе тепловой машины не все количество теплоты, взятое у нагревателя, передается холодильнику. Часть этой теплоты превращается в совершенную машиной работу согласно закону сохранения энергии. Однако, как показал Клаузиус, одного I начала термодинамики, недостаточно для объяснения работы тепловой машины. Необходимым условием работы тепловой машины, как впервые было указано Сади Карно, является отдача теплоты холодильнику. Таким образом, имеет место общее свойство теплоты, которое заключается в том, что теплота, как утверждал Клаузиус, «всегда обнаруживает тенденцию к уравниванию температурной разницы путем перехода от теплых тел к холодным». Это утверждение по Клаузиусу является II положением термодинамики.
Клаузиус вводит новую физическую величину, которую считает мерой способности тел к превращениям, поэтому в 1865г. дал ей название энтропия от греческого слова «превращение».
Для необратимых процессов сумма «превращений» не равна нулю, что приводит к закону возрастания энтропии.
Возрастание энтропии – это плата за реальную работу тепловой машины, за то, что машина имеет мощность, отличную от нуля. Чтобы какая-либо машина совершила работу, за это необходимо заплатить не только расходом энергии, но и возрастанием энтропии системы. Платить энтропией надо не только за совершенную работу, но и за любое измерение, за получение любой информации.
Клаузиус считал возможным основные начала термодинамики распространить на всю Вселенную и сформулировать их как основные законы Вселенной: «1. Энергия мира постоянна. 2.Энтропия мира стремится к максимуму». Клаузиус, исходя из этих начал, пришел к заключению о неизбежности тепловой смерти Вселенной через 20 лет после Томсона.
После введения Клаузиусом понятия энтропии выявилась четкая граница между такими понятиями как теплота и температура. Нельзя говорить о каком-то количестве теплоты, заключенной в теле, теплота может только передаваться от тела к телу, переходить в работу, возникать при трении, поэтому теплота представляет собой не вид энергии, а меру изменения энергии и не является сохраняющейся величиной.
Как видно из изложенного выше, Клаузиус и Томсон независимо друг от друга пришли к одинаковым выводам и основным положениям, тем самым заложив основы термодинамики. Фактически они объединили при анализе работы тепловой машины две концепции: концепцию Майера, Джоуля, Гельмгольца о сохранении и превращении энергии и принцип Карно, тем самым утвердив I и II начала термодинамики. Распространение II начала термодинамики на необратимые процессы было завершающим шагом в установлении основ термодинамики. Термодинамика стала одной из важнейших областей физики, которая имела существенное значение непосредственно для техники и для дальнейшего развития науки.
III начало термодинамики, или теорема Нернста,утверждает, что никаким конечным числом операций нельзя охладить тело до температуры, равной абсолютному нулю. Из теоремы Нернста следует недостижимость абсолютного нуля при конечном числе термодинамических процессов.