Введение
История термодинамики – фундаментальная составляющая истории физики, химии и науки в целом. В силу значимости термодинамики во многих областях науки и техники, её история тесно связана с развитием классической механики, квантовой механики, магнетизма и химической кинетики, а также с более отдалёнными прикладными областями, такими как метеорология, теория информации и биология (физиология), и с технологическими разработками, такими как паровой двигатель, двигатель внутреннего сгорания, криогеника и производство электроэнергии. Развитие термодинамики как стимулировало, так и было стимулировано атомной теорией. Кроме того, она, хотя и косвенно, способствовала новым направлениям в теории вероятностей и статистике; см., например, хронологию развития термодинамики.
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.
Античность
Древние считали, что тепло связано с огнем. Около 3000 г. до н.э. древние египтяне связывали тепло с мифами о происхождении мира. Древняя индийская философия, включая ведическую, полагала, что пять классических элементов (или панча маха бхута) лежат в основе всего космического творения. В западной философской традиции, после продолжительных дебатов о первоэлементе среди ранних досократических философов, Эмпедокл выдвинул теорию четырех элементов, согласно которой все вещества происходят из земли, воды, воздуха и огня. Эмпедоклеевский элемент огня, вероятно, является главным предшественником более поздних концепций, таких как флогистон и теплота. Примерно в 500 г. до н.э. греческий философ Гераклит прославился как философ "потока и огня" благодаря своему знаменитому изречению: "Все течет". Гераклит утверждал, что три главных элемента в природе – огонь, земля и вода.
Отвращение к вакууму
Греческий философ Парменид V века до н.э. в своем единственном известном труде, поэме, условно озаглавленной «О природе», использует словесное рассуждение, чтобы утверждать, что пустота, по сути, то, что сейчас известно как вакуум, не может существовать в природе. Эта точка зрения была поддержана аргументами Аристотеля, но критиковалась Левкиппом и Героном Александрийским. От античности до Средних веков выдвигались различные аргументы в пользу или против существования вакуума, и предпринимались многочисленные попытки создать вакуум, но все они оказались безуспешными.
Атомизм
Атомизм является центральной частью современных взаимосвязей между термодинамикой и статистической механикой. Древние мыслители, такие как Левкипп и Демокрит, а позднее эпикурейцы, развивая атомизм, заложили основы для последующей атомной теории. До получения экспериментальных подтверждений существования атомов в XX веке, атомная теория в значительной степени опиралась на философские размышления и научную интуицию.
Ранние термометры
Европейские ученые Корнелиус Дреббель, Роберт Фладд, Галилео Галилей и Санторио Санторио в XVI и XVII веках могли оценивать относительную "холодность" или "теплоту" воздуха, используя примитивный воздушный термометр (или термоскоп). На это, возможно, повлияло более раннее устройство, способное расширять и сжимать воздух, созданное Филоном Византийским и Героем Александрийским.
"Жара - это движение" (Фрэнсис Бэкон)
Идея о том, что тепло — это форма движения, возможно, восходит к древним временам и, безусловно, обсуждается английским философом и ученым Фрэнсисом Бэконом в 1620 году в его «Novum Organum». Бэкон полагал: «Само тепло, его сущность и природа — это движение и ничто иное».
Количество движения
В «Началах философии» (Principia Philosophiae) 1644 года Декарт определил «количество движения» (лат. quantitas motus) как произведение величины и скорости и утверждал, что общее количество движения во Вселенной сохраняется. Если x в два раза больше y, но движется вдвое медленнее, то количество движения в каждом из них одинаково. Бог создал материю вместе с движением, и, просто позволяя вещам идти своим чередом, сохраняет то же количество движения, которое вложил в нее изначально. Он утверждал, что, просто позволяя вещам развиваться естественным образом, Бог сохраняет такое же количество движения, как и создал, и таким образом общее количество движения во Вселенной остается неизменным.
Закон Бойля
Ирландский физик и химик Роберт Бойл в 1656 году, в сотрудничестве с английским ученым Робертом Гуком, построил воздушный насос. Используя этот насос, Бойл и Гук обнаружили зависимость между давлением и объемом: PV = константа. В то время воздух представляли как систему неподвижных частиц, а не как систему движущихся молекул. Концепция теплового движения возникла два столетия спустя. Поэтому в публикации Бойля 1660 года речь идет о механической модели: воздушной упругости. Позже, после изобретения термометра, стало возможным количественно измерять температуру. Этот инструмент позволил Гей-Люссаку вывести свой закон, который вскоре после этого привел к уравнению состояния идеального газа.
Паропереваритель
Денис Папин, соратник Бойля, в 1679 году построил костный перевариватель – закрытый сосуд с плотно прилегающей крышкой, удерживающий пар до создания высокого давления. В более поздних конструкциях был добавлен предохранительный клапан, чтобы предотвратить взрыв машины. Наблюдая за ритмичным движением клапана вверх и вниз, Папин пришел к идее двигателя с поршнем и цилиндром. Однако он не реализовал свой проект. Тем не менее, в 1697 году Томас Ньюкомен, опираясь на разработки Папина, значительно усовершенствовал более раннюю "огневую машину" инженера Томаса Сэвери, внедрив в нее поршень. Это позволило использовать ее не только для откачки воды на высоту более 30 футов, но и для выполнения механической работы, и поэтому ее часто считают первым настоящим паровым двигателем.
Передача тепла (Халлей и Ньютон)
Феномен теплопроводности легко наблюдается в повседневной жизни. Тот факт, что тёплый воздух поднимается, и важность этого явления для метеорологии впервые осознал Эдмонд Галлей в 1686 году. В 1701 году сэр Исаак Ньютон опубликовал свой закон охлаждения.
Теория флогистона
Теория флогистона возникла в XVII веке, в конце периода алхимии. Её замена теорией теплорода в XVIII веке является одним из исторических рубежей перехода от алхимии к химии. Флогистон представлял собой гипотетическое вещество, которое, как считалось, выделялось из горючих веществ при горении и из металлов в процессе коррозии.
Пределы "градуса холода"
В 1702 году Гийом Амонтон ввел понятие абсолютного нуля, основываясь на наблюдениях за газами.
Тепловая емкость
Тела способны удерживать определенное количество этой жидкости, что привело к появлению термина «теплоемкость», названного в честь и впервые исследованного шотландским химиком Джозефом Блэком в 1750-х годах. В середине и конце XIX века тепло стало пониматься как проявление внутренней энергии системы. Сегодня тепло рассматривается как передача неупорядоченной тепловой энергии. Тем не менее, по крайней мере в английском языке, термин «теплоемкость» сохраняется. В некоторых других языках предпочтение отдается термину «тепловая емкость», который иногда используется и в английском языке.
Паровые двигатели
До 1698 года и изобретения двигателя Севери лошадей использовали для привода шкивов, соединенных с ведрами, которые поднимали воду из затопленных соляных шахт в Англии. В последующие годы были построены различные модификации паровых двигателей, такие как двигатель Ньюкомена, а затем двигатель Уатта. Со временем эти ранние двигатели стали использоваться вместо лошадей. Таким образом, мощность каждого двигателя стали оценивать в количестве "лошадиных сил", в зависимости от того, сколько лошадей он заменял. Главной проблемой этих первых двигателей была их медлительность и громоздкость, поскольку они преобразовывали менее 2% затраченной энергии топлива в полезную работу. Иными словами, для получения небольшого количества полезной работы требовалось сжигать большие объемы угля (или древесины). Отсюда возникла потребность в новой науке – динамике двигателей.
Калорическая теория
В середине и конце XVIII века тепло считалось мерой невидимой жидкости, известной как калорическая субстанция. Подобно флогистону, калорическая субстанция считалась "веществом" тепла, которое перетекало от более нагретого тела к более холодному, тем самым его нагревая. Однако полезность и объяснительная сила кинетической теории вскоре стали вытеснять теорию калорической субстанции. Тем не менее, Уильям Томсон, например, ещё в 1850 году пытался объяснить наблюдения Джеймса Джоуля в рамках калорической концепции. К концу XIX века теория калорической субстанции устарела.
Калориметрия
Джозеф Блэк и Антуан Лавуазье внесли значительный вклад в точное измерение тепловых изменений с использованием калориметра, область, которая получила название термохимия. Развитие парового двигателя привлекло внимание к калориметрии и количеству тепла, выделяемого при сжигании различных видов угля. Первые количественные исследования тепловых изменений, происходящих в ходе химических реакций, были начаты Лавуазье с использованием ледяного калориметра, опираясь на более ранние исследования Джозефа Блэка о скрытой теплоте воды.
Теплопроводность и тепловое излучение
Карл Вильгельм Шееле разграничил теплопередачу посредством теплового излучения (лучистого тепла) от теплопередачи конвекцией и теплопроводностью в 1777 году. В XVII веке сложилось мнение, что все материалы обладают одинаковой теплопроводностью, а различия в ощущениях обусловлены их разной теплоемкостью. Предположения о том, что это может быть не так, возникли благодаря новой науке об электричестве, где было очевидно, что одни материалы являются хорошими проводниками электричества, а другие – эффективными изоляторами. Ян Инген Хаус в 1785–1789 годах и Бенджамин Томпсон в тот же период провели одни из первых измерений. В 1791 году Пьер Прево показал, что все тела излучают тепло, независимо от их температуры. В 1804 году сэр Джон Лесли обнаружил, что матовая черная поверхность излучает тепло более эффективно, чем полированная, что указывает на важность излучения абсолютно черного тела.
Тепло и трение (Рамфорд)
В 19 веке ученые отказались от идеи физического калорического вещества. Первые существенные экспериментальные опровержения калорийной теории появились в работе Бенджамина Томпсона (графа Рамфорда) 1798 года, в которой он показал, что при сверлении чугунных пушек выделяется большое количество тепла, которое он объяснил трением. Его работа стала одной из первых, подорвавших калорийную теорию. В результате экспериментов 1798 года Томпсон предположил, что тепло является формой движения, однако попыток согласовать теоретические и экспериментальные подходы не предпринималось, и маловероятно, что он имел в виду принцип живой силы.
Современная термодинамика (Карно)
Хотя первые паровые двигатели были примитивными и неэффективными, они привлекли внимание ведущих ученых того времени. Одним из таких ученых был Сади Карно, "отец термодинамики", который в 1824 году опубликовал труд "Размышления о движущей силе огня" – рассуждение о теплоте, мощности и эффективности двигателей. Большинство исследователей считают эту книгу отправной точкой для термодинамики как современной науки. (Однако название "термодинамика" появилось лишь в 1854 году, когда британский математик и физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) в своей работе "О динамической теории тепла" ввёл термин "термодинамика".) Карно определил "движущую силу" как выражение полезного эффекта, который способен производить двигатель. В этом труде Карно представил первое современное определение "работы": вес, поднятый на определенную высоту. Стремление понять, посредством формулировки, этот полезный эффект в связи с "работой" лежит в основе всей современной термодинамики. Даже работая в рамках теории калориков, Карно в 1824 году предположил, что часть калорий, доступных для получения полезной работы, теряется в любом реальном процессе.
Отражение, преломление и поляризация излучаемого тепла
Хотя это и предполагалось на основании работ Шееле, в 1831 году Македонио Меллони доказал, что тепловое излучение отражается, преломляется и поляризуется так же, как и свет.
Кинетическая теория (начало 19 века)
Джон Херапат независимо сформулировал кинетическую теорию в 1820 году, но ошибочно связал температуру с количеством движения, а не с живой силой или кинетической энергией. Его работа в конечном итоге не выдержала экспертной оценки, даже со стороны Хамфри Дэви, который был расположен к кинетическому принципу, и осталась незамеченной. Джон Джеймс Уотерстон в 1843 году также независимо представил в основном точное описание, но его работа была встречена аналогичным образом и не прошла рецензирование. Дальнейший прогресс в кинетической теории начался лишь в середине XIX века, благодаря работам Рудольфа Клаузиуса, Джеймса Клерка Максвелла и Людвига Больцмана.
Механический эквивалент тепла
Количественные исследования, проведенные Джоулем начиная с 1843 года, предоставили надежно воспроизводимые явления и способствовали формированию термодинамики как самостоятельной науки с прочным фундаментом. В 1843 году Джоуль экспериментально определил механический эквивалент теплоты. В 1845 году Джоуль представил свой наиболее известный эксперимент, в котором использовался падающий груз для вращения гребного колеса в бочке с водой, что позволило ему оценить механический эквивалент теплоты в 819 фут-фунт/БТУ (4,41 Дж/кал). Это привело к разработке теории сохранения энергии и объяснило, почему теплота может совершать работу.
Абсолютный ноль и шкала Кельвина
Идея абсолютного нуля была обобщена в 1848 году лордом Кельвином.
Лорд Кельвин
В марте 1851 года, стремясь осмыслить работы Джоуля, лорд Кельвин начал рассуждать о неизбежной потере полезного тепла во всех процессах. Эта идея была выражена еще более драматично Германом фон Гельмгольцем в 1854 году, породив представление о тепловой смерти Вселенной.
Уильям Рэнкин
В 1854 году Уильям Джон Маккуорн Рэнкин начал использовать то, что он назвал термодинамической функцией в расчетах. Позднее было установлено, что это идентично понятию энтропии, сформулированному выдающимся математическим физиком Рудольфом Клаузиусом.
Рудольф Клаузиус
В 1865 году Клаузиус ввел термин "энтропия" (das Wärmegewicht, обозначаемый S) для обозначения тепла, которое было потеряно или превращено в бесполезную энергию. ("Wärmegewicht" дословно переводится как "тепловой вес"; соответствующий английский термин происходит от греческого τρέπω, "изменять, поворачивать"). В том же году Клаузиус использовал эту концепцию для формулировки своего классического определения второго закона термодинамики.
Температура - это средняя кинетическая энергия молекул.
В своей работе 1857 года "О природе движения, называемого теплом", Клаузиус впервые чётко сформулировал, что тепло — это средняя кинетическая энергия молекул.
Распределение Максвелла и Болцмана
Вышеупомянутое утверждение Клаузиуса заинтересовало шотландского математика и физика Джеймса Клерка Максвелла, который в 1859 году вывел распределение импульса, впоследствии названное в его честь. Австрийский физик Людвиг Больцманн затем обобщил это распределение для случая газов во внешних полях. В 1871 году, совместно с Клаузиусом, Максвелл сформулировал новое направление термодинамики, называемое статистической термодинамикой, которое служит для анализа большого числа частиц, находящихся в состоянии равновесия, то есть систем, в которых не происходит изменений, и в которых важны лишь их средние свойства, такие как температура T, давление P и объем V.
Степень свободы
Болцман, пожалуй, является наиболее значительным автором в кинетической теории, поскольку он заложил основы многих фундаментальных концепций этой теории. Помимо упомянутого выше распределения Максвелла — Больцмана, он также установил связь между кинетической энергией частиц и их степенями свободы. Уравнение Больцмана для функции распределения газа в неравновесных состояниях до сих пор остается наиболее эффективным инструментом для изучения транспортных явлений в газах и металлах. Введя понятие термодинамической вероятности как числа микросостояний, соответствующих данному макросостоянию, он показал, что логарифм этой вероятности пропорционален энтропии.
Свободная энергия Гиббса
В 1876 году инженер-химик Уиллард Гиббс опубликовал малоизвестную 300-страничную работу под названием «О равновесии гетерогенных веществ», в которой он сформулировал одно фундаментальное равенство – уравнение свободной энергии Гиббса, предлагающее меру количества "полезной работы", которую можно получить в реагирующих системах.
Энтальпия
Гиббс также положил начало концепции, которую мы теперь знаем как энтальпия H, назвав её «тепловой функцией при постоянном давлении». Современное слово «энтальпия» было введено много лет спустя Хейке Камерлинг-Оннесом, который основывался на греческом слове «enthalpein», означающем «нагревать».
Закон Стефана Болцмана
Взгляд Джеймса Клерка Максвелла 1862 года на свет и тепловое излучение как на формы электромагнитных волн положил начало количественному анализу теплового излучения. В 1879 году Йожеф Стефан обнаружил, что полный поток излучения от абсолютно черного тела пропорционален четвертой степени его температуры и сформулировал закон Стефана — Больцмана. Теоретическое обоснование закона было дано Людвигом Больцманом в 1884 году.
Квантовая термодинамика
В 1900 году Макс Планк нашёл точную формулу для спектра излучения абсолютно чёрного тела. Подгонка под новые данные потребовала введения новой константы, известной как постоянная Планка, фундаментальной константы современной физики. Рассматривая излучение как исходящее от колебателя в полости, находящегося в тепловом равновесии, формула указывала на то, что энергия в полости возникает только в виде кратных частоте, умноженной на эту константу. Иными словами, она квантована. Это позволило избежать расходимости, к которой приводила бы теория без квантования.
Третий закон термодинамики
В 1906 году Вальтер Нернст сформулировал третий закон термодинамики.
Эрвин Шредингер
Основываясь на вышеизложенном, Ларс Онсагер, Эрвин Шрёдингер, Илья Пригожин и другие перенесли эти "концепции" в основу практически всех современных научных дисциплин.