коротка

ВСТУП

Ми маємо здійснити подорож до кінця сімнадцятого століття і поміркувати, як розвиток парової машини спричинив безпрецедентні технологічні, економічні та соціальні зміни. Цікаво, що інженери того часу вдосконалювали парові машини, роблячи їх все більш і більш ефективними, але ніхто не знав напевно, які фізичні принципи були дані в цьому типі машин і навіть, поняття тепла було не дуже чітким . У середині ХІХ століття деякі з цих питань знайшли відповіді, які сьогодні сприймаються як абсолютні істини завдяки таким вченим, як Джеймс Прескотт Джоуль і Вільям Томпсон кого деякі автори називають дещо поетично першовідкривачами енергії.

На наступних рядках ми збираємось трохи заглибитися в те, що я вирішив назвати "короткою історією термодинаміки".

"ЗАГАДКА" ТЕПЛА

Але добре, Що таке тепло? Існували дві великі парадигми, які певний час співіснували. З одного боку, у нас були ті вчені, які думали, що це дрібні частинки, що утворюють матерію в русі і, з іншого боку, це були ті вчені, які дотримувались теорії електрики (18 століття), який уявляв собі тепло як «неймовірну рідину», подібно до того, як тоді бачилася електрика. Однак наприкінці 18 століття Джозеф Блек, відомий в Шотландії лікар, фізик і хімік, за допомогою нещодавно винайденого термометра виявив, що температуру тіла можна виміряти, але не те, що насправді сприяло цьому (Це трапляється, наприклад, при таненні льоду, оскільки надане тепло в значній мірі "приховується", оскільки якщо термометр розміщують поруч із льодом, що нагрівається, щоб його розтопити, температура згаданого блоку 0 ° C).

У 1780р, Антонін-Лоран де Лавуазьє та П’єр Саймон Лаплас, вони розробили a льодовий калориметр . Цим «артефактом» вони вимірювали тепло, яке передає тіло. Зокрема, їм вдалося перевірити, що фрагмент міді та інший деревини з однаковою масою та температурою розплавляли різну кількість льоду.

Водночас американський Бенджамін Томпсон (його часто цитують як графа Рамфорда через благородний титул), який працював у Німеччині, він думав, що відкрив, що таке спека . Він стверджував, що тепло було рухом крихітних частинок, що утворювали речовину.

ТЕПЛО-МЕХАНІЧНА РОБОТА

Роками пізніше, вже повністю в ХІХ ст, Джеймс Прескотт Джоуль, Уродженець Манчестера (місто, яке на той час було світовим еталоном на технологічному рівні), вражений паровою машиною, він мав можливість поглиблено вивчити одного з них, оскільки його сім'я, яка займалася пивною промисловістю, що належав одному. Після тривалого вивчення згаданої машини йому, безсумнівно, було нудно з предметом. Ось чому його привабило інше фізичне явище: виробництво механічної роботи магнетизмом та електрикою .

Майкл Фарадей, винайшов електродвигун в 1821 році що послужить прототипом, який буде вдосконалено в галузі через кілька років. Джоуль виявив, що двигун Фарадея мав мало спільного, як з економічної точки зору, так і з точки зору ефективності виробництва, порівняно з існуючою промисловою паровою машиною (вона споживала занадто багато цинку та цинкової рідини). Барабани). Тим не менше , Джоуль спостерігав дивне явище: під час роботи електродвигуна акумулятор та електричні провідники зазнали дуже сильного нагрівання . Це змусило його задуматись, чи не це було причиною поганої роботи двигуна. Цей сумнів змусив Джоуля протягом декількох місяців проводити експерименти, які в основному складалися з пропускання електричного струму через металеві дроти різної довжини, товщини та матеріалу. Одночасно він вимірював вироблене тепло і дійшов до дуже цікавого висновку, який сьогодні ми знаємо як Закон Джоуля: "Тепло, що виробляється, зростає із опором електричного провідника, квадратом інтенсивності струму та тривалістю його циркуляції".

Однак ще один вчений, який тільки починав, шотландець Вільям Томсон, його потягло розслідування Джоуля. На відміну від Джоуля, Томпсону передувала певна слава завдяки його посаді професора природничих наук в Університеті Глазго (посаду, яку він досяг у молодому віці 22 років). Томсон завжди цікавився історією спеки, насправді його дослідження тривалий час зосереджувалося на складанні рукописних текстів французького дослідника: Ніколас Леонард Саді Карно .

У 1822 році Карно опублікував теорію парової машини. Карно сподобалася ідея порівняння парової машини з "силою води": так само, як вода падає з певної висоти, рухаючи колесо млина, у паровій машині тепло переходить від більш високої температури до меншої, він також підніс аналогію з кількістю води і тепла, оскільки, як і загальна кількість води однаково на водяному млині, тепло в паровій машині також не зазнає змін. Карно зазначав, що певна кількість поглиненого тепла завжди повинна була бути доставлена ​​після виконання механічних робіт . Тобто, теорія Карно базувалася на замкненому тепловому контурі, де тепло вже є, і тому його не потрібно виробляти.

Інші вчені того часу дійшли б подібних висновків, в тому числі Рудольф Класій та Юлій Роберт фон Майєр . Насправді, у випадку Класія він уже опублікував щось стосовно того, що ми сьогодні знаємо як "перший принцип". Але жоден не мав "строгості" Джоуля з точки зору експериментів або здатності Томсона об'єднувати різні теорії.

ЕВОЛЮЦІЯ ТЕРМОДИНАМІКИ

Але після цього історичного огляду ми все ще не знаємо, яка справжня природа тепла. Тоді повернемось до історії. Спочатку термодинаміка орієнтувалась лише на вимірювані величини та взаємозв’язки між ними . Ну, в цьому відношенні Джоуль просунувся трохи далі: він взяв ідею графа Рамфорда, який сказав, що тепло було не що інше, як рух частинок всередині тіла . Ця ідея переслідувала його протягом усього життя, але після стількох досліджень та досягнень, зроблених іншими вченими, йому було зрозуміло: це мало бути так . Через кілька десятиліть вчені в кінцевому підсумку докажуть, що і Рамфорд, і Джоуль мали рацію.

Джоуль і Томсон зав'язали глибоку дружбу з наукою як загальну ланку . Вони провели численні експерименти. Один із них полягав у спробі з’ясувати, що сталося з температурою певного газу в контейнері, шляхом зміни тиску на нього. Ці експерименти підтримав уряд Великобританії, який значною мірою фінансував їх. Вони виявили те, що сьогодні відомо як Ефект Джоуля-Томсона. Це стосується процесу, при якому температура системи знижується або підвищується, дозволяючи системі вільно розширюватися, зберігаючи постійну ентальпію. Хоча цей ефект у його експериментах був дуже незначним, він мав би велике значення.

В кінці XIX століття Карл фон Лінден неодноразово застосовував ефект Джоуля-Томсона в експерименті, поки йому не вдалося довести повітря до такої низької температури, що воно стало рідким . Ця процедура, яка апріорі може не привертати нашої уваги, сьогодні використовується для перетворення різних газів у рідину та зберігання їх у резервуарах або пляшках.

Вклади численних вчених, але особливо Томпсона та Джоуля, були відповідальними за те, що сьогодні ми вивчаємо термодинаміку як дисципліну у фізичних науках. На жаль, обидва вчені не мали однакового закінчення. Томсон, який здобув тріумф в академічній сфері і отримав від королеви титул лорда Кельвіна в той час як Джоуль, провів свої останні роки зі скромною пенсією, яку королева також призначила йому за відкриття.

ТЕРМОДИНАМІКА СЬОГОДНІ, СУЧАСНИЙ СТАТУС І ВИКЛИКИ

У 2012 році венесуельський інженер на ім'я Луїс Солорцано заявив, що винайшов двигун з необмеженою енергією, тим самим порушивши другий закон термодинаміки. Насправді, в своїх експериментах у своїй лабораторії в Маямі він стверджував, що другий закон термодинаміки працює в більшості систем, але не у всіх, тому його не можна назвати законом. І доказ, який він подав, був його профільна теплова турбіна . Не вдаючись до аналізу роботи двигуна, Солорцано заявив, що: кінетична енергія, яку здатний виробляти його двигун, була в 10 разів більшою, ніж енергія вітру, що використовується для переміщення лопатей, що вводять його в експлуатацію. Однак, розслідування та відмова запатентувати винахід у США, свідчать про те, що намагатися "розмістити" зазначений пристрій на промисловому ринку було все аферою.

Щось подібне трапляється з двигуном EmDrive, який нещодавно розробило NASA, але ця стаття недостатньо довга, щоб детально висвітлити цю тему. Однак у випадку з цим двигуном мало хто наважується стверджувати, що NASA намагається когось обдурити. Такі теорії, як квантовий вакуум або помилки у вимірюванні, застосовуються для розуміння роботи згаданого пристрою.

У 2014 році Ян Гізелер, Ромен Квідант, Крістоф Деллаго, Лукас Новотний опублікували статтю, в якій стверджували, що виявили, що наночастинка, розташована в надпорожній порожнині, могла тимчасово порушити другий закон термодинаміки, потрапивши в пастку лазерного світла . Зокрема, автори заявляють, що захоплена наночастинка може охолоджуватися за допомогою параметричної системи зворотного зв'язку. Відсікаючи зворотний зв'язок, частинка повертається до стану рівноваги (нагрівається). Однак під час цього процесу його температура йде випадковим шляхом зі статистичними коливаннями. Деякі передбачають передачу тепла від холодної наночастинки до більш теплого середовища. Стаття здається абсолютно правдивою і відкриває двері для розуміння термодинаміки, яка повинна включати нові явища, можливо, якісь квантового характеру? Врешті-решт це пояснить.

Зверніть увагу також на дивний взаємозв'язок між термодинамікою та Всесвітом: Чи застосовуються в ньому закони? У 1970-х рр. Фізики Стівен Хокінг і Якоб Бекенштейн Вони усвідомили дивну властивість чорних дір: виявили, що ентропія цих об'єктів пропорційна площі горизонту подій, а не обсягу його інтер'єру. Ця стаття, роз’яснена неспеціалізованим людям у журналі Scientific American, говорить нам, що результат висновків цих учених був дуже вражаючим, оскільки загалом ентропія фізичної системи кількісно визначає наш ступінь незнання щодо її мікроскопічних деталей . Отже, у випадку з чорною дірою можна очікувати, що ентропія буде пропорційна усьому об’єму, до якого зовнішній спостерігач не має доступу, а не навколишній поверхні. Насправді це стосується всіх звичайних термодинамічних систем: наприклад, у газі ентропія завжди пропорційна об’єму, який вона займає, а не поверхні, яка оточує цей об’єм. Чому це інакше у випадку з чорними дірами?

Очевидно, що термодинаміку як дисципліну, пов’язану з фізичними науками та хімією, не можна трактувати як щось абсолютно ізольоване від них. Відносність, квантова фізика та фізика частинок можуть відкрити шлях до нової термодинаміки. Це породжує численні запитання до сьогодні без відповіді: чи ми вже стикаємося з новою науковою парадигмою? Куди це нас приведе? Які економічні та соціальні наслідки будуть отримані з цієї нової фізики? ...

БІБЛІОГРАФІЯ

Брайсон, Білл (2006): "Коротка історія майже всього". Перше видання. Редакційний океан.

Typler, Paul A. & Mosca, Gene (2010): “Фізика для науки та техніки”. Шосте видання. Редакційне Reverté.

Журнал «Науково-дослідні роботи», спеціальний випуск (2016): «Межі квантової фізики».

Автор допису: Антоніо Хосе Лобато Алехано (Студент ступеня в галузі інженерії промислових організацій)