Кіріспе
Термодинамика тарихы – физика тарихының, химия тарихының және жалпы ғылым тарихының маңызды бір тармағы болып табылады. Термодинамиканың ғылым мен техниканың көптеген салаларындағы маңыздылығына байланысты, оның тарихы классикалық механика, кванттық механика, магнетизм және химиялық кинетиканың дамуымен тығыз байланысты. Сондай-ақ, метеорология, ақпарат теориясы, биология (физиология) сияқты қолданбалы салалармен, сондай-ақ бу машинасы, ішкі жану машинасы, криогеника және электр энергиясын өндіру сияқты технологиялық жетістіктермен де байланысты. Термодинамиканың дамуы атомдық теорияны дамытып, одан да әсер алды. Бұған қоса, ол ықтималдық және статистика салаларында жаңа бағыттарға, біраз жұмсақ түрткіс берді; мысалы, термодинамиканың уақыт шкаласын қараңыз.
The history of thermodynamics is a fundamental strand in the history of physics, the history of chemistry, and the history of science in general. Owing in the relevance of thermodynamics in much of science and technology, its history is finely woven with the developments of classical mechanics, quantum mechanics, magnetism, and chemical kinetics, to more distant applied fields such as meteorology, information theory, and biology (physiology), and to technological developments such as the steam engine, internal combustion engine, cryogenics and electricity generation. The development of thermodynamics both drove and was driven by atomic theory. It also, albeit in a subtle manner, motivated new directions in probability and statistics; see, for example, the timeline of thermodynamics.
Ежелгі дәуір
Ежелгі адамдар жылуды отпен байланысты деп есептеген. 3000 жылға дейін ежелгі египеттіктер жылуды пайда болу мифологиясымен байланыстырған. Ежелгі үнді философиясы, соның ішінде Веда философиясы, бес классикалық элементтің (немесе панча маха бута) барлық ғарыштық жаратылыстың негізі деп сенген. Батыс философиялық дәстүрінде, Сократтан бұрынғы философтардың арасында бастапқы элемент туралы көптеген пікірталастар болғаннан кейін, Эмпедокл төрт элементтен тұратын теорияны ұсынды, онда барлық заттар жерден, судан, ауадан және оттан туындайды. От элементі, мүмкін, флогистон және калория сияқты кейінгі түсініктердің бастауы болды. Шамамен 500 жылға дейін грек философы Гераклит "Барлық нәрсе ағып жатыр" деген сөзімен және "ағын мен от" философы ретінде танымал болды. Гераклит табиғаттағы үш негізгі элемент – от, жер және су екенін айтқан.
Вакуумнан қорқу
Б.з.д. V ғасырындағы грек философы Парменид өзінің жалғыз белгілі еңбегінде, "Табиғат туралы" деп аталатын өлеңінде, сөздік ойлау арқылы табиғатта толық жоқ болу, яғни қазіргі кезде вакуум деп танылатын нәрсе болуы мүмкін емес екенін айтады. Бұл пікірді Аристотель қолдады, бірақ Левкипп және Александриялық Герон сынға алды. Көне заманнан бастап орта ғасырға дейін вакуумның бар екенін немесе жоқ екенін дәлелдеу үшін түрлі аргументтер келтірілді және вакуум жасауға бірнеше әрекеттер жасалды, бірақ олардың барлығы нәтижесіз аяқталды.
Атомизм
Атомизм – термодинамика мен статистикалық механика арасындағы қазіргі заманғы байланыстың орталық бөлігі. Леукипп пен Демокрит сияқты ежелгі ойшылдар, сондай-ақ кейіннен эпикурейлер атомизмді дамыту арқылы, кешірек атомдық теорияның негізін қалады. 20 ғасырда атомдардың тәжірибелік дәлелі келгенге дейін атомдық теория көбінесе философиялық ойлар мен ғылыми сезімталдықпен жүзеге асырылды.
Ертедегі термометрлер
XVI және XVII ғасырлардағы еуропалық ғалымдар Корнелиус Дреббель, Роберт Фладд, Галилео Галилей және Санторио Санторио ауаның салыстырмалы "суықтығын" немесе "ыстықтығын" қарапайым ауа термометрі (немесе термоскоп) арқылы анықтай алды. Бұған Византиялық Филон мен Александриялық Герон жасаған ауаны кеңейтіп, тарылта алатын бұрынғы құрылғының ықпалы тиген болуы мүмкін.
"Жылу - бұл қозғалыс" (Франсис Бэкон)
Жылу – қозғалыстың бір түрі деген ой, мүмкін, ежелгі заманнан бері келе жатқан болса керек, және бұл туралы 1620 жылы ағылшын философы және ғалымы Фрэнсис Бэкон өзінің "Novum Organum" еңбегінде сөз қозғаған. Бэкон былай деген: "Жылудың өзі, оның мәні мен мән-жайы – қозғалыс, басқа ештеңе емес".
Қозғалыс мөлшері
1644 жылғы "Философия қағидалары" (Principia Philosophiae) еңбегінде Декарт "қозғалыс мөлшерін" (лат. quantitas motus) көлемі мен жылдамдығының көбейтіндісі ретінде анықтап, ғаламдағы қозғалыс мөлшерінің жалпы сомасы сақталады деп мәлімдеді. Егер x, y-ден екі есе үлкен болса және жылдамдығы жартысына тең болса, онда екеуінде де бірдей қозғалыс мөлшері болады. Ол, Құдай затты және оның қозғалысын жаратып, оларды өз еркімен жүріп-тұруға жіберу арқылы, бастапқыда салған қозғалыс мөлшерін сақтайды. Осылайша, Құдай оларды өз бағытында қозғалтып, олардың қозғалысын сақтап отырады және ғаламдағы қозғалыс мөлшерінің жалпы сомасы сақталады деді.
Бойль заңы
Ирландиялық физик және химик Роберт Бойль 1656 жылы ағылшын ғалымы Роберт Хукпен келісім бойынша ауа сорғысын құрастырды. Осы сорғыны қолданып, Бойль мен Хук қысым мен көлем арасындағы байланысты анықтады: PV=тұрақты. Сол кезде ауа қозғалмайтын бөлшектердің жүйесі деп саналды және қозғалатын молекулалар жүйесі ретінде түсіндірілмеді. Термиялық қозғалыс туралы ұғым екі ғасырдан кейін пайда болды. Сондықтан Бойльдің 1660 жылғы жарияланымында механикалық түсінік: ауа серпіні туралы сөз болады. Кейін термометр ойлап табылғаннан кейін температураның қасиетін сандық түрде бағалау мүмкін болды. Бұл құрал Гей-Луссакқа өзінің заңын тудыруға мүмкіндік берді, ол көп ұзамай идеал газ заңына әкелді.
Булы дигестр
1679 жылы Бойльдің әріптесі Денис Папин буды қатты жабылатын қақпағы бар жабық ыдыста – сүйек қайнататын аппаратта жинақтап, қысымды арттырды. Кейінірек жасалған үлгілерде машинаның жарылып кетпеуі үшін бу шығару клапаны орнатылды. Клапанның үнемі жоғары-төмен қозғалысын бақылап, Папин поршеньді цилиндрлі қозғалтқыш тұжырымын ойлап тапты. Бірақ ол бұл жобасын іске асырмады. Дегенмен, 1697 жылы Папиннің жобаларын негізге алған Томас Ньюкомен инженер Томас Саверидің бұрынғы "өрт машинасынан" поршеньді қосып, оны жақсартты. Бұл машинаны 30 футтан жоғары биіктікке су сорудан бөлек, механикалық жұмыстар үшін де пайдалануға мүмкіндік берді, сондықтан ол алғашқы нағыз бу машинасы деп есептеледі.
Жылуды беру (Халли мен Ньютон)
Жылу өткізгіштігі құбылысы күнделікті өмірде дереу түсініледі. Жылы ауаның жоғары көтерілуі және бұл құбылыстың метеорология үшін маңыздылығын алғаш рет 1686 жылы Эдмонд Галлей анықтады. 1701 жылы Исаак Ньютон салқындау заңын жариялады.
Флогистон теориясы
Флогистон теориясы 17 ғасырда, алхимия дәуірінің соңында туындады. Оның 18 ғасырда калория теориясымен ығыстырылуы – алхимиядан химияға өтудің маңызды тарихи кезеңдерінің бірі. Флогистон – жанғыш заттардан күю кезінде, ал металдардан тотығу процесінде шығарылатын деп есептелген гипотетикалық зат.
"Салқындық дәрежесіне" шектелу
1702 жылы Гийом Амонтон газдарды байқаулар негізінде абсолюттік нөл температурасының тұжырымдамасын ұсынды.
Жылу қуаты
Денелер осы сұйықтықтың белгілі бір мөлшерін сақтауға қабілетті болды, осыдан жылу сыйымдылығы деген термин пайда болды, оны шотланд химигі Джозеф Блэк 1750 жылдары анықтаған және зерттеген. 19 ғасырдың ортасынан соңына қарай жылу жүйенің ішкі энергиясының көрінісі ретінде түсінілді. Бүгінде жылу – бұл ретсіз жылу энергиясының берілуі деп есептеледі. Дегенмен, кемінде ағылшын тілінде жылу сыйымдылығы термині қолданылып келеді. Кейбір басқа тілдерде жылулық сыйымдылық термині басым, және ол ағылшын тілінде де кейде қолданылады.
Бу қозғалтқыштары
1698 жылға дейін және Савери машинасы ойлап табылғанға дейін Англиядағы су басқан тұз шахталарынан су шығару үшін аттармен қозғалтылатын шкивтерге бекітілген қаптар қолданылды. Соңынан Ньюкомен машинасы сияқты, бу машиналарының түрлі нұсқалары жасалды, ал кейінірек Ватт машинасы да құрылды. Уақыт өте келе, осы алғашқы машиналары аттардың орнына қолданыла бастады. Осылайша, әрбір машина қанша атты алмастырғанына байланысты белгілі бір "ат күшімен" байланыстырылды. Бұл алғашқы машиналарының басты мәселесі – олардың баяу және ұқыпсыз болуы, кіріс отынның 2%-дан да аз бөлігін пайдалы жұмысқа айналдыруы еді. Яғни, жұмыс нәтижесінің шағын бөлігін алу үшін үлкен мөлшерде көмір (немесе ағаш) өртеу қажет болды. Соның салдарынан, қозғалтқыштар динамикасының жаңа ғылымына қажеттілік туды.
Калорикалық теория
18 ғасырдың ортасы мен соңында жылу көзге көрінбейтін сұйықтық – калория деп аталатын өлшем деп есептелген. Флогистон сияқты, калория да ыстық денеден салқын денеге ағып, оны жылытатын "зат" деп саналды. Бірақ кинетикалық теорияның тиімділігі мен түсіндіру қабілеті тез арада калориялық теорияны ығыстыра бастады. Дегенмен, Уильям Томсон, мысалы, 1850 жылға дейін Джеймс Джоульдің байқауларын калориялық тұрғыдан түсіндіруге тырысты. Калория теориясы 19 ғасырдың соңына қарай толыққанды ескірді.
Калориметрия
Джозеф Блэк пен Антуан Лавуазье калориметрді пайдалану арқылы жылу өзгерістерін дәл өлшеуге маңызды үлес қосты, бұл сала термохимия деп аталды. Бу машинасының дамуы калориметрияға және әртүрлі көмір түрлерінен бөлінетін жылу мөлшеріне назар аударды. Химиялық реакциялар кезіндегі жылу өзгерістерін алғашқы сандық зерттеулерді Лавуазье Джозеф Блэктің судың жасырын жылуы туралы зерттеулерінен кейін мұз калориметрін қолдану арқылы бастады.
Жылу өткізгіштік және жылу сәулелендіру
Карл Вильгельм Шеле 1777 жылы жылулық сәулелену (сәулеленуші жылу) арқылы жылу беруді конвекция және өткізгіштік арқылы жылу беруден ажыратты. 17 ғасырда барлық материалдардың өткізгіштігі бірдей деп есептелді және сезімдердегі айырмашылықтар олардың әртүрлі жылу сыйымдылығынан туындайды деп саналды. Мұндай болмауы мүмкін деген пікірлер электр ғылымының дамуымен келді, онда кейбір материалдар жақсы электр өткізгіштер екені, ал басқалары тиімді оқшаулағыштар екені анық болды. Ян Инген Хауш 1785 жылы, сондай-ақ Бенджамин Томпсон осы кезеңде алғашқы өлшемдер жасады. 1791 жылы Пьер Превост барлық денелер, олардың температурасына қарамастан, жылуды сәулелендіретінін көрсетті. 1804 жылы сэр Джон Лесли матовый қара бет жылтыратылған бетке қарағанда жылуды тиімдірек сәулелендіретінін анықтады, бұл қара дене сәулеленуінің маңыздылығын көрсетті.
Жылу және сүргі (Рамфорд)
XIX ғасырда ғалымдар физикалық калория идеясынан бас тартты. Калорикалық теорияға қарсы алғашқы маңызды тәжірибелік шақырулар Бенджамин Томпсонның (Румфорд графы, 1798 жылғы) еңбегінде туды, онда ол қалың құйма темірден жасалған зеңбіректерді тесіп жасағанда көп мөлшерде жылу пайда болатынын көрсетті, оны ол үйкеліске байланыстырды. Оның еңбегі калорикалық теорияны күйретуге бағытталған алғашқы жұмыстардың бірі болды. 1798 жылғы тәжірибелерінің нәтижесінде Томпсон жылудың қозғалыс түрі екенін ұсынды, бірақ теориялық және тәжірибелік көзқарастарды үйлестіруге тырысқан жоқ, және ол вис вива принципін еске алған жоқ деп болжауға болады.
Қазіргі термодинамика (Карно)
Алғашқы бу машиналарынң қарапайым да тиімсіз болғанына қарамастан, олар сол кездегі жетекші ғалымдардың назарын аударды. Осындай ғалымдардың бірі – Сади Карно, ол 1824 жылы «Оттың қозғаушы күші туралы ойлар» деген еңбегін жариялады, онда жылу, қуат және қозғалтқыш тиімділігі туралы сөз болды. Көптеген адамдар осы кітапты термодинамиканың қазіргі ғылым ретінде басталуы деп санайды. (Дегенмен, «термодинамика» атауы 1854 жылға дейін қолданылмады, сол кезде британдық математик және физик Уильям Томсон (Лорд Кельвин) «Жылудың динамикалық теориясы туралы» атты мақаласында термодинамика терминін енгізді.) Карно «қозғаушы күшті» – қозғалтқыштың тудыра алатын пайдалы әсердің көрінісі деп түсіндірді. Осы еңбекте Карно «жұмыс» терминінің қазіргі заманғы алғашқы анықтамасын ұсынды: белгілі бір биіктікке көтерілген салмақ. Бұл пайдалы әсерді «жұмысқа» қатысты түсінуге бағытталған ізденіс – қазіргі термодинамиканың негізгі мәселесі болып табылады. Карно 1824 жылы калориялық теориямен жұмыс істесе де, кез келген нақты процесте пайдалы жұмыс жасауға қолжетімді калорияның бір бөлігі жоғалып кететінін айтты.
Сәулеленулі жылудың шағылысуы, сынуы және поляризациясы
Дегенмен, Шейленің жұмысынан күдік туған болатын, 1831 жылы Македонио Мелони сәулелі жылудың жарық сияқты шағылысуға, сынуға және поляризациялануға ұшырайтынын көрсетті.
Кинетикалық теория (XIX ғасырдың басында)
Джон Херапат 1820 жылы кинетикалық теорияны тәуелсіз түрде тұжырымдады, бірақ температураны импульспен байланыстырып, вис вива немесе кинетикалық энергиямен шатастырды. Оның жұмысы ақырында, тіпті кинетикалық принципке жақсы қарайтын Хэмфри Дэви сияқты сарапшылардың пікірін де алмай, назарсыз қалды. Джон Джеймс Уотерстон 1843 жылы да тәуелсіз түрде көбінесе дұрыс сипаттама берді, бірақ оның жұмысы да сол сияқты қабылданып, сарапшылардың тексеруінен өте алмады. Кинетикалық теорияның одан әрі дамуы XIX ғасырдың ортасында Рудольф Клаузиус, Джеймс Клерк Максвелл және Людвиг Болцманның еңбектері арқылы ғана мүмкін болды.
Жылудың механикалық эквиваленті
1843 жылдан бастап Джоульдің сандық зерттеулері дәйекті қайталанатын құбылыстарды көрсетті және термодинамика ғылымын берік негізге қоюға ықпал етті. 1843 жылы Джоуль эксперименттік жолмен жылудың механикалық эквивалентін анықтады. 1845 жылы Джоуль ең әйгілі экспериментінің нәтижелерін жариялады, онда сумен толтырылған шелекте құлайтын салмақтың күшімен қайық тізбегін айналдыру арқылы 819 фут-фунт/БТУ (4,41 Дж/кал) механикалық жылу эквивалентін шамалап есептеді. Бұл энергияның сақталу заңының қалыптасуына және жылудың неге жұмыс атқара алатынына түсінік беруге әкелді.
Абсолюттік нөл және Кельвин шкаласы
Абсолюттік нөл туралы идея 1848 жылы Лорд Кельвин тарапынан кеңейтілді.
Лорд Келвин
1851 жылдың наурыз айында Джоульдің жұмысын түсінуге тырысып, Лорд Кельвин барлық процестерде пайдалы жылудың қажетсіз жоғалуы болатынын болжай бастады. Герман фон Гельмгольц 1854 жылы осы ойды одан да айқын жеткізіп, ғаламның жылумен өлімі деген қорқынышты көрініс тудырды.
Уильям Рэнкин
1854 жылы Уильям Джон Маккуорн Ранкин есептеулерде термодинамикалық функция деп атаған нәрсені пайдалана бастады. Кейіннен бұл атақты математикалық физик Рудольф Клаузиус қалыптастырған энтропия тұжырымдамасымен бірдей екені көрсетілді.
Рудольф Клаузиус
1865 жылы Клаузиус "энтропия" (das Wärmegewicht, символы S) терминін пайдаланып, жоғалған немесе пайдасыз энергияға айналған жылуды білдірді. ("Wärmegewicht" сөзбе-сөз "жылу салмағы" деп аударылады; ағылшын тіліндегі сәйкес термин грекше τρέπω, "бұру") Клаузиус сол жылы термодинамиканың екінші заңының классикалық тұжырымын жасау үшін осы ұғымды қолданды.
Температура - молекулалардың орташа кинетикалық энергиясы
1857 жылы жарық көрген "Жылу деп аталатын қозғалыстың мәні туралы" еңбегінде Клаузиус алғаш рет жылу – молекулалардың орташа кинетикалық энергиясы екенін нақты айтады.
Максвелл-Болцманның үлестірімі
Клаузийдің жоғарыда айтқан сөзі шотланд математигі және физигі Джеймс Клерк Максвеллді қызықтырды, ол 1859 жылы кейіннен оның есімімен аталатын импульс таралуын шығарды. Австрия физигі Людвиг Болцман бұл таралуды сыртқы өрістердегі газдар үшін одан әрі жалпылады. Клаузиуспен бірлесіп, 1871 жылы Максвелл термодинамиканың статистикалық термодинамика деп аталатын жаңа саласын құрды, ол тепе-теңдіктегі көптеген бөлшектерді, яғни ешқандай өзгеріс болмайтын жүйелерді талдауға арналған, сондықтан температура T, қысым P және көлем V сияқты олардың орташа қасиеттері ғана маңызды болады.
Еркіндік деңгейлері
Болцман, мүмкін, кинетикалық теорияға ең үлкен үлес қосушы, себебі ол теорияға көптеген негізгі ұғымдарды енгізді. Жоғарыда айтылған Максвелл-Болцман таралымынан өзге, ол бөлшектердің кинетикалық энергиясын олардың еркіндік дәрежелерімен байланыстырды. Тепе-теңдіксіз күйдегі газдың үлестіру функциясы үшін Болцман теңдеуі газдар мен металдардағы көлік құбылыстарын зерттеуде әлі де ең тиімді теңдеу болып табылады. Термодинамикалық ықтималдық тұжырымын қазіргі макрокүйге сәйкес келетін микрокүйлер саны ретінде енгізе отырып, ол оның логарифмінің энтропияға пропорционал екенін көрсетті.
Гиббстің еркін энергиясы
1876 жылы химиялық инженер Уиллард Гиббс 300 беттік «Гетерогенді заттардың тепе-теңдігі туралы» деген мақала жариялады, онда ол реакциялық жүйелерде қол жетімді «пайдалы жұмыстың» мөлшерін анықтайтын Гиббстің еркін энергия теңдеуін жасады.
Энталпия
Гиббс сонымен қатар біз қазір энтальпия H деп білетін ұғымды қалыптастырды, оны "тұрақты қысымдағы жылу функциясы" деп атады. Энтальпия сөзін көп жылдар өткен соң Гейке Камерлинг Оннес енгізді, ол оны грек тіліндегі "жылу беру" мағынасын білдіретін "ентальпеин" сөзіне негіздеді.
Стефан Болцман заңы
Джеймс Клерк Максвеллдің 1862 жылы жарық және сәулелі жылудың екеуі де электромагниттік толқындардың түрлері екенін түсінуі, жылулық сәулеленуді сандық талдаудың бастауына әкелді. 1879 жылы Йожеф Стефан қара дененің жалпы сәулелену ағыны оның температурасының төртінші дәрежесімен пропорционалды екенін анықтады және бұл Стефан-Болцман заңы деп белгіленді. Бұл заңды 1884 жылы Людвиг Болцман теориялық тұрғыдан дәлелдеді.
Кванттық термодинамика
1900 жылы Макс Планк қара дене сәулеленуі спектрін сипаттайтын нақты формула тапты. Жаңа деректерге сәйкес келу үшін Планк тұрақтысы деп аталатын жаңа тұрақтыны енгізу қажет болды, ол қазіргі физиканың негізгі тұрақтысы болып табылады. Сәулеленуді термиялық тепе-теңдіктегі қуыс осцилляторынан шығатын ретінде қарастыра отырып, формула қуыстағы энергияның тек жиілік пен тұрақтының көбейтілісі түрінде ғана болатынын көрсетті. Яғни, энергия квантталған. Бұл кванттау болмаған жағдайда теорияға тән болатын шексіздікке ұшыраудан сақтады.
Термодинамиканың үшінші заңы
1906 жылы Уолтер Нернст термодинамиканың үшінші заңын тұжырымдады.
Эрвин Шредингер
Жоғарыда айтылған негіздерді дамыта отырып, Ларс Онсагер, Эрвин Шредингер, Илья Пригожин және тағы басқалар осы "концепцияларды" қазіргі ғылымның дерлік барлық саласына енгізді.