Основні концепції класичної фізики XIX століття

Становлення класичного природознавства

Соціально-економічні та політичні умови розвитку науки в XIX столітті в різних країнах не були однаковими. І хоча ці умови не завжди сприяло розвитку науки, для XIX століття в цілому характерний бурхливе зростання наукових досліджень і авторитет науки. У Франції під впливом технічної революції розвиваються переважно фізико-математичні та природничі науки, керівним центром яких виступав Національний інститут. У силу техніко-економічної відсталості Німеччини в ній не було настільки ж сприятливих, як у Франції, умов розвитку фізико-математичних та природничих наук - перевага віддавалася філософії, богослов'я та класичної філології. Наявність великої кількості університетів, територіальна близькість різних факультетів один до одного сприяли активного взаємовпливу наук. Децентралізація університетської науки сприяла появі великої кількості наукових видань. Успіхи в області техніки зумовили зростання практицизму, що призвело до приниження ролі теоретичних досліджень і посилення ролі прикладних. Особливістю науки в Англії була відсутність таких центрів, як Національний інститут у Франції та широкої мережі університетів, як у Німеччині. Тому наукові дослідження частіше велися поодинці, у ізольованих один від одного галузях науки. Але це були блискучі дослідження, результати яких з-за відсутності необхідних науково-дослідних і навчальних організацій нерідко розроблялися вченими інших країн. Відомий історик науки Дж.Мерц, характеризуючи специфіку розвитку науки цього періоду, зазначав, що найбільша кількість скоєних за формою і змісту праць, які стали класичними для всіх часів, виконано, імовірно, у Франції; найбільшу кількість наукових робіт було, ймовірно, виконана в Німеччини; найбільша частка ідей, які запліднювали науку впродовж століття, належить, ймовірно, Англії. [1] Спільною для всіх країн характерною рисою розвитку науки в XIX столітті можна вважати посилення її взаємодії з технікою і економікою.

Фізика XIX століття вважається класичною. Ньютонівської феноменологічний метод став головним інструментом пізнання природи. Закони класичної механіки і методи математичного аналізу демонстрували свою ефективність. Фізичний експеримент, спираючись на вимірювальну техніку, забезпечував небувалу раніше точність. Фізичне знання все в більшій мірі ставало основою промислової технології і техніки, стимулювало розвиток інших природних наук. У фізиці ізольовані раніше світло, електрику, магнетизм і теплота виявилися об'єднаними в електромагнітну теорію. І хоча природа тяжіння залишалася не з'ясованою, його дії можна було розрахувати. Утвердилася концепція механістичного детермінізму Лапласа, що виходила з можливості однозначно визначити поведінку системи в будь-який момент часу, якщо відомі початкові умови. Структура механіки як науки здавалася міцною, надійною і майже повністю завершеною - тобто що не укладаються в існуючі класичні канони феномени, з якими доводилося стикатися. здавалися цілком зрозумілим в майбутньому більш витонченими умами з позицій класичної механіки. Складалося враження, що знання фізики близько до свого повного завершення - настільки потужну силу демонстрував фундамент класичної фізики, незважаючи на те. що в її окремих областях гніздилися залишки старих метафізичних концепцій. Але останні поступово здають свої позиції: сходять з арени теорія флюїдів, теорія теплорода і т.д. Проникнення фізичних знань у промисловість, техніку призводить до появи прикладної фізики, а дослідження в її області значно розширювали фактичний матеріал, який вимагав теоретичної інтерпретації. Зрештою нездатність класичної теорії пояснити нові факти наводить на рубежі XIX і XX століть до наукової революції у фізиці.

Хвильова концепція світла О. Френеля

Сформовані в попередні сторіччя корпускулярна і хвильова концепція світла в XIX столітті продовжили запеклу боротьбу. Перша спиралася на авторитет Ньютона, другий - на авторитет Гука, Гюйгенса, Ейлера, Ломоносова. Прихильники корпускулярної концепції сподівалися пояснити з її позицій труднощі з поясненням явищ дифракції та інтерференції. Т. Юнг дав це пояснення з позицій хвильової концепції. Виходячи з висловлених ним гіпотез про існування розрідженого і пружного світлоносного ефіру, що заповнює Всесвіт, про порушення хвилеподібних рухів в ефірі при світінні тіла, про залежність відчуття різних кольорів від різної частоти коливань, порушуваних світлом на сітківці ока, про притягнення усіма матеріальними тілами ефірної середовища, внаслідок чого остання накопичується в речовині цих тіл і на малій відстані навколо них у стані більшої щільності (але не більшої пружності), Юнг робить висновок про те, що випромінюється світло складається з хвилеподібних рухів світлоносного ефіру. Це дало можливість все різноманітність кольорів звести до коливальним рухам ефіру, а відмінність квітів пояснити різницею частот коливань ефіру, а також сформулювати принцип інтерференції.

Прямолінійне поширення світла було найбільш важливим аргументом на користь нової теорії. О. Френель робить новий суттєвий крок у розвитку хвильової теорії. (Ідея інтерференції взагалі виявилася настільки плідною, що при зустрічі з невідомим видом випромінювання завжди намагаються отримати інтерференцію. І якщо це вдається, то тим самим доводиться його хвильовий характер.) [2]

Зв'язавши принцип Гюйгенса, (згідно з яким молекули тіла, наведені в коливання падаючим світлом стають центрами випускання нових хвиль) до принципу інтерференції, (згідно якому накладається хвилі, у протилежність корпускулярним променів, не обов'язково посилюються, а можуть і послаблятися до повного знищення), Френель дав пояснення прямолінійним поширення світла, показав, що промені, поляризовані перпендикулярно один до одному, не інтерферують. У дослідах по дифракції світла він встановив. що дифракційні смуги з'являються внаслідок інтерференції променів. Принцип інтерференції дозволив Френеля закони відбиття і заломлення пояснити взаємним погашенням світлових коливань в усіх напрямках, за винятком тех. які задовольняють закону відображення. Френеля вдалося експериментально довести, що світлові промені можуть впливати один на одного, послаблятися і навіть майже повністю погашатися у випадках приголосних коливань, що й дозволило йому дати пояснення явища дифракції. Френель довів. що світло є поперечним хвилястим рухом. Він пояснив явище поляризації світла в експериментальних дослідженнях відбиття та заломлення світла від поверхні прозорих речовин. Їм було встановлено, що відображення плоско-поляризованого світла від поверхні прозорого тіла супроводжується поворотом площини поляризації в тих випадках, коли ця площину не збігається з площиною падіння або не перпендикулярна до неї. Розвиваючи ідеї Гюйгенса про поширення хвиль в кристалах. Френель заклав основи крісталлооптікі.

Таким чином, боротьба хвильової та корпускулярної концепції світла в першій половині XIX століття завершується перемогою хвильової концепції - було встановлено, що світло є поперечним хвилястим рухом. Вирішальним внеском у цю перемогу і стало пояснення за допомогою хвильової концепції явищ дифракції та інтерференції світла.

Концепції класичної електродинаміки

Класична електродинаміка, що представляє собою теорію електромагнітних процесів в різних середовищах і вакуумі, охоплює величезну сукупність явищ, в яких головна роль належить взаємодій між зарядженими частинками, які здійснюються за допомогою електромагнітного поля. Розділом електродинаміки, що вивчають взаємодії та електричні поля покояться електричних зарядів, є електростатика.

Прогрес у електростатики, що виявилися в встановлення кількісного закону електричних взаємодій, сприяли не тільки накопичення експериментальних даних в області електростатичних явищ і вдосконалення електростатичних машин, але й створення математичної теорії електро-і магнітостатістіческіх взаємодій. Відкриття Л. Гальвані "тваринного електрики", створення А. Вольта першого генератора електричного струму ( "вольтова стовпа"), здійснення першого опису замкнутої ланцюга електричного струму, відкриття В. В. Петровим електричної дуги, відкриття Г. Деві і М. Фарадея хімічного дії електричного струму, теоретичні роботи з електро-і магнітостатики С. Пуассона і Д. Гріна були завершальними успіхами в області концепції електричної рідини, що вважалася на початку XIX століття основою електростатики, подібно до того, як концепція магнітної рідини вважалася основою магнітостатики. Надалі головним напрямком в даній області стає електромагнітізм.

У 1820 р. Х. Ерстед було відкрито магнітне дію електричного струму - навколо дроту з електричним струмом було виявлено магнітне поле. Таким чином, було доведено зв'язок електрики і магнетизму. А. Ампер, грунтуючись на єдності електричних та магнітних явищ, розробив першу теорію магнетизму, заклавши тим самим основи електродинаміки. Він розрізняв поняття електричного струму і електричної напруги. Основними поняттями його концепції були "електричний струм", "електрична ланцюг ". Під електричним струмом Ампер розумів невпинно що чергуються всередині провідника процеси з'єднання і розділення протилежно заряджених частинок електрики. (Найменування одиниці сили струму носить ім'я Ампера.) Їм обгрунтовано напрямок руху струму - напрямок позитивного заряду електрики, а також встановлений закон механічної взаємодії двох струмів, що течуть у малих відрізках провідників, що знаходяться на деякій відстані один від одного. З цього закону слід було. що паралельні провідники зі струмами, які течуть у одному напрямку, притягуються, а в протилежних напрямках -- відштовхуються. З уявлення про магніті як сукупності електричних струмів, розташованих в площинах, перпендикулярних лінії, що з'єднує полюси магніту, витікав природний висновок про те, що соленоїд еквівалентний магніту. Революційний сенс цього висновку був очевидний: для пояснення явища магнетизму більше не було потрібно наявності "магнітної рідини" - все явище магнетизму виявилося можливим звести до електродинамічних взаємодій.

Наступним кроком у розвитку електродинаміки було відкриття М. Фарадеєм явища електромагнітної індукції - порушення змінним магнітним полем електрорушійної сили в провідниках, - що стала основою електротехніки. Важливим результатом його досліджень стало також обгрунтування того, що окремі види електрики тотожні за своєю природою, незалежно від їхнього джерела. Відкриття закону електролізу (хімічна дію електричного струму прямо пропорційно кількості проходить електрики), відкриття обертання площини поляризації світла в магнітному полі. Намагаючись пояснити явище електромагнітної індукції на основі концепції дальнодії, але зустрівшись з труднощами, він висловив припущення про здійсненні електромагнітних взаємодій по засобом електромагнітного поля, тобто на основі концепції блізкодействія. Це поклало початок формуванню концепції електромагнітного поля, оформлену Д. Максвелом.

Електромагнітне поле Максвелла і ефір

Теорія Ньютона успішно пояснила рух планет навколо Сонця під впливом сили тяжіння, але не змогла правильно пояснити рух електрично заряджених часток, які взаємодіють один з одним через порожній простір під впливом електричних і магнітних сил - модель атома нагадує модель Сонячної системи (в центрі атома знаходиться позитивно заряджену ядро, навколо якого обертаються електрони). Разом з тим між гравітаційними і електромагнітними силами є відмінності: електричний заряд має лише деякі частинки, а гравітацією володіють всі форми речовини та енергії; електричні сили бувають позитивними і негативними (причому частинки з різним зарядом притягуються, а з однаковим -- відштовхуються), а тяжіють об'єкти тільки притягаються; при малих масштабах (наприклад, в атомі) різко переважають електромагнітні сили, а при великих масштабах (наприклад, при масштабах Землі) - гравітаційні. Д. К. Максвелл вивів систему рівнянь, що описують взаємозв'язок руху заряджених частинок і поведінку електромагнітних сил. Центральним поняттям теорії Максвелла було поняття поля, яке позбавило від ускладнень. пов'язаних з ньютонівських дією на відстані. У XIX ст. поле описувалося за аналогією з рухомої рідиною, тому воно характеризувалося за допомогою таких термінів, як "магнітний потік", "силові лінії" і т.п. Опис ж поля як рідини припускає середу, що передає дію від одного заряду до іншому. Таку гіпотетичну рідину назвали ефіром. Думали, що ефір заповнює всі порожній простір, залишаючись невидимим. Електромагнітні поля представлялися у вигляді натягу в ефірі. Заряджені частки породжували в ефірі хвилі натягу. швидкість поширення яких, як і показали розрахунки, виявилася близько 300000 км/с. Світ став розглядатися у вигляді електромагнітних хвиль, які викликалися рухами заряджених частинок і які поширювалися в просторі як коливання ефіру. З відкриттям електромагнітних хвиль (радіохвилі, надвисокочастотні. теплові (інфрачервоні), ультрафіолетові, рентгенівські хвилі. гамма-випромінювання) з'явилася можливість перевірки ньютонівської теорії простору і часу.

Якщо Фарадей здійснив новий підхід до вивчення електричних і магнітних явищ, створивши концепцію поля. яке опісвивалось за допомогою силових ліній, то Максвелл. ввівши точне поняття електромагнітного поля. сформулював його закони.

З концепції Френеля про поперечних світлових хвиль неминуче випливали питання про те, в який же середовищі поширюються хвилі, чому немає поздовжніх світлових хвиль, як діє ефір на рухаються в ньому тіла і т.д. Було висловлено безліч найрізноманітніших гіпотез щодо поперечності світлових хвиль (наприклад, гіпотеза абсолютно нестисливої ефіру, гіпотеза нерухомого ефіру, гіпотеза ефіру, частково захоплює за собою що рухаються в ньому тілами і т.д.). Тобто існування самого ефіру сумніву не піддавалося, бо поширення хвиль вимагало відповідного середовища.

Максвелл створює електромагнітну теорію світла, встановивши рівняння, що пояснювали всі відомі на той час факти з єдиною точки зору. У них встановлювалася зв'язок між змінами магнітного поля і виникненням електрорушійної сили. Своє головне завдання Максвелл вбачав у тому, щоб привести електричні явища до галузі динаміки. Він виходив з того, що електричний струм не можна розглядати інакше як дії не розташування. а поширення що протікають у часі. Причина електричних струмів була їм названа електрорушійної силою.

Стан електромагнітного поля в теорії Максвелла задається напруженістю електричного поля і магнітної індукцією. Дослідивши зв'язку між електричними і магнітними полями. Максвелл з того, що змінюється електричне поле створює магнітне поле, яке саме створює електричне поле, і кількісного аналізу цих співвідношень прийшов до висновку про поширення даного процесу в просторі. Іншими словами, змінне електричне поле в одній точці створює магнітне поле по сусідству з нею, яке в свою чергу викликає електричне поле трохи далі. Оскільки цей процес відбувається знову і знову, виникає нестійке електромагнітне поле, безперервно розширюється, в просторі. При цьому електричне або магнітне поле поширюється незалежно від способів їх виникнення (будь то коливання зарядів або поява магнітів). Обчислення швидкості розповсюдження поля, виконані за даними про який спостерігається струмі, індукованим рухомими магнітами, або за даними про створившиаемом струмами магнітному полі, виявили. що вона дорівнює швидкості світла. І хоча Максвелл у своїх обчисленнях використовував вимірювання електричних струмів і магнітних полів, тобто явищ, здавалося б, не мають нічого спільного зі світлом. Він з цих вимірів зробив висновок про те, що нестійке електричне поле поширюється у вигляді хвиль зі швидкістю світла. Цим було встановлено зв'язок між оптикою і електрикою - областями, які раніше представлялися НЕ пов'язаними між собою. Оптика стала розділом електродинаміки.

Таким чином, світ виявився не чим іншим, як розповсюдженням електромагнітних хвиль. Експериментальне їх виявлення Г. Герцем в 1880 р. означало перемогу електромагнітної концепції, хоча вона в свідомості вчених утвердилася не відразу (концепції Ньютона знадобилося для свого затвердження половина століття, концепції Максвелла знадобилася для цього чверть століття). Герц встановив, що електромагнітні хвилі мають властивість, аналогічні світловим: заломлення, відображення, інтерференцію, дифракцію, поляризацію, ту ж швидкість розповсюдження. (Оцінюючи результати своїх експериментів, Герц прекрасно розумів, що вони руйнують будь-яку теорію, що вважає, що електричні сили розповсюджуються в просторі миттєво.)

Концепція Максвелла стала новим кроком у розумінні природи електричних та магнітних явищ, який зумовив можливість появи радіо, радіолакаціі, телебачення і т.д. Вона дала відповідь на питання про природу світлових хвиль: світлова хвиля є хвиля електромагнітного поля, що розповсюджується в просторі. Відкриття Максвелла прийнято порівнювати з ступенем важливості з відкриттям Ньютоном закону всесвітнього тяжіння. Якщо Ньютон ввів поняття загального поля тяжіння, то Максвелл ввів поняття електромагнітного поля і встановив закони його розповсюдження.

Розвитком концепції Максвелла було вимір П.М. Лебедєвим тиску світла, передбаченого Максвелом, а також використання електромагнітних хвиль для бездротового зв'язку А. С. Поповим і Г. Марконі.

Молекулярно-кінетична концепція теплових процесів

Як зазначалося раніше, глибоке вивчення теплових процесів передбачає облік молекулярної будови речовини. Рішення такого завдання виявилося зв'язаних з використанням статистичних методів. Включення теплових процесів в рамки механічної картини світу призвело до відкриття статистичних законів, в яких зв'язки між фізичними величинами носять імовірнісний характер. У класичної статистичної механіки, на відміну від динамічної, задаються не координати і імпульси частинок системи, а функція розподілу часток по координатах і імпульсів, що має сенс щільності ймовірності виявлення спостережуваних значень координат та імпульсів.

Панування концепції теплорода і відсутність необхідних експериментальних фактів у першій половині XIX століття затримали розвиток молекулярно-кінетичної теорії речовини. Відкриття закону збереження енергії продемонструвало зв'язок теплоти з рухом невидимих частинок речовини, дав поштовх дослідженням, розпочатим Р. Бойл, М. В. Ломоносовим, Д. Бернуллі та ін М. В. Ломоносов вперше висловив ідею про тепловий обертальному рух атомів. До цієї ідеї прийшов і Г. Деві. Д. Дальтон встановив, що атоми одного і того ж хімічного елемента мають ідентичними властивостями і, ввівши поняття атомного ваги хімічного елемента, дав йому визначення як відношення маси одного атома цього елемента до маси одного атома водню. А. Авогадро встановив. що ідеальні гази (гази з зневажливо малими силами взаємодії між його частками) при однакових температурі і тиску містять в одиниці об'єму однакові кількості молекул.

До середини XIX століття еквівалентність теплоти і енергії визнало більшість вчених, теплоту стали розглядати як молекулярне рух. Досліди Ж.Л.Гей-Люссака і Д. Джоуля підтвердили незалежність внутрішньої енергії ідеальних газів від їх обсягів, що було свідченням нікчемності діючих між їхніми молекулами сил. Р. Клаузіус до поступального руху молекул додає обертальний і внутрішньо-молекулярні коливальний рух і дає пояснення закону Авогадро як слідству того. що молекули будь-яких газів володіють однаковою "живою силою" поступального руху. Для даного етапу розвитку молекулярно-кінетичної теорії газів важливим було обчислення середніх значень різних фізичних величин, таких як швидкість руху молекул, число їхніх зіткнень в секунду, довжина вільного пробігу та т.д., визначення залежності тиску газу від кількості молекул в одиниці об'єму та середньої кінетичної енергії поступального руху молекул - все це дало можливість виявити фізичний зміст температури як заходи середньої кінетичної енергії молекул.

Наступний етап у розвитку молекулярно-кінетичної теорії газів почався з робіт Д. Максвелла. Завдяки введенню поняття ймовірності був встановлений закон розподілу молекул за швидкостями (будь-яка система, спочатку містить швидкі (гарячі) і повільні (холодні) молекули, має прийти в такий стан, при якому більшість молекул рухається зі середніми швидкостями, стаючи трохи теплими), що і призвело до створення статистичної механіки. У роботах Л. Больцмана, який побудував кінетичну теорію газів, було дано статистичне обгрунтування другого початку термодинаміки - Незворотність процесів була пов'язана з прагненням систем до найбільш ймовірного стану. Виявлення статистичного сенсу другого початку термодинаміки мало важливе значення - виявилося, що другий початок термодинаміки на відміну від першого має межі своєї застосовності: воно не застосовне до руху окремої молекули. Незворотність руху виявляється в поведінці лише величезного числа молекул.

Класична статистична механіка завершується роботами Д. Гіббса, що створив метод розрахунку функцій розподілу не тільки для газу, але взагалі для будь-яких систем в стані термодинамічної рівноваги. Загальне ж визнання статистичної механіки настане вже у XX столітті, коли, на основі молекулярно-кінетичної теорії буде побудована кількісна теорія броунівського руху (на основі дослідження останнього Ж. Перрен довів реальність існування молекул).

Таким чином, молекулярно-кінетична концепція газу є сукупністю величезної кількості молекул, що рухаються у всіх напрямках, соударяющіхся один з одним і після кожного зіткнення змінюють напрямок свого руху. У такому газі існує середня швидкість руху молекул, а тому повинна існувати і середня кінетична енергія молекули. Якщо це так, то теплота є кінетична енергія молекулярного руху і будь-який певній температурі відповідає певна кінетична енергія молекули. Молекулярно-кінетична теорія речовини і якісно і кількісно пояснює закони газів і інших речовин, встановлені експериментально. Броунівський рух, виявлене Р. Браун, продемонструвало рух частинок у рідинах. Спостерігаючи через мікроскопи за рухом органічних і неорганічних речовин у воді, Броун встановив, що їх рух викликається потоками в рідині і не її постійним випаровуванням, а належить самим часткам. Це спостереження виглядає таким, що суперечить всьому попереднього досвіду. Молекулярно-кінетична теорія дозволила пояснити виниклу трудність.

Суть справи полягає в наступному. Частинки, що рухаються у воді і спостерігаються в мікроскоп, бомбардир меншими частками, з яких складається вода. броунівський рух виникає внаслідок того, що дана бомбардування в силу своєї хаотичності і неоднаковості з різних сторін, не може бути врівноважена. Важливо, таким чином, те, що ми спостерігали в мікроскоп рух є результатом руху, який в даний мікроскоп ненаблюдаемо: хаотичний характер поведінки великих частинок відображає хаотичність поведінки молекул, з яких складається речовина. Звідси зрозуміло, що кількісне вивчення броунівського руху дозволяє глибше проникнути в кінетичну теорію речовини. Оскільки бомбардують молекули мають певні маси і швидкості, то вивчення броунівського руху дозволяє визначити масу молекули.

Концепції класичної термодинаміки

а) Виникнення термодинаміки

Теплові явища відрізняються від механічних і електромагнітних тим, що закони теплових явищ необоротні (тобто теплові процеси самі йдуть лише в одному напрямку) і що теплові процеси здійснюються лише в макроскопічних масштабах, а тому використовувані для опису теплових процесів поняття і розміри (температура, кількість теплоти і т.д.) також мають тільки макроскопічний зміст (про температуру, наприклад, можна говорити стосовно до макроскопічного тіла, але не до молекули або атому). Водночас знання будови речовини необхідно для розуміння законів теплових явищ.

Тіло, що розглядається з термодинамічної позиції, є нерухомим, що не володіє механічною енергією. Але таке тіло має внутрішню енергію, що складається з енергій електронів, що рухаються і т.д. Це внутрішня енергія може збільшуватися або зменшуватися. Передача енергії може здійснюватися шляхом передачі від одного тіла до іншого при вчиненні над ними роботи і шляхом теплообміну. У другому випадку внутрішня енергія переходить від більш нагрітого тіла до менше нагрітого без учинення роботи. Передану енергію називають кількістю теплоти, а передачу енергії -- теплопередачею. У загальному випадку обидва процеси можуть здійснюватися одночасно, коли тіло при втраті внутрішньої енергії може здійснювати роботу і передавати теплоту іншому тілу. До розуміння цього вчені прийшли не відразу. Для XVIII і першій половині XIX ст. було характерно розуміти теплоту як невагому рідина (речовина).

Уявлення про теплоту як формі прямування дрібних часток матерії з'явилося ще в XVII столітті. Цих поглядів дотримувалися Бекон, Декарт, Ньютон, Гук, Ломоносов. Проте й у XIX столітті концепція теплорода розділялася багатьма вченими. Наприкінці XVIII століття Б. Томпсон (граф Румфорд) виявив виділення великої кількості тепла при висвердлюванні каналу в гарматному стовбурі, що порахував доказом того, що теплота є формою прямування. Одержання теплоти за допомогою тертя підтвердили досліди Г. Деві. Б. Томпсон показав, що з обмеженої кількості матерії може бути отримана необмежена кількість теплоти.

Виникнення власне термодинаміки починається з роботи С. Карно (сам термін "термодинаміка" введений Б. Томпсоном). Досліджуючи практичну задачу одержання прямування з тепла стосовно до парових машин, він зрозумів, що принцип одержання прямування з тепла необхідно розглядати не тільки стосовно парових машин, але до будь-яких мислимих теплових машин. Так був сформульований загальний метод рішення задачі -- термодинамічний, що заклав основу термодинаміки. Визначаючи коефіцієнт корисної дії теплових машин, Карно увів свій знаменитий цикл, що складається з двох ізотермічних (які відбуваються при постійній температурі) і двох адіабатичних (без припливу і віддачі тепла) процесів. ККД циклу Карно не залежить від властивостей робочого тіла (пари, газу і т.д.) і визначається температурами теплоотдатчика і теплоприймальника. ККД будь-якої теплової машини не може бути при тих же температурах теплоотдатчика і теплоприймальника вище ККД циклу Карно.

Карно першим розкрив зв'язок теплоти з роботою. Але він виходив з концепції теплорода, що визнала теплоту незмінною по кількості субстанцією. Разом з тим Карно вже зрозумів, що робота парової машини визначається загальним законом переходу тепла від більш високих до більш низьких температур, тобто що не може бути безмежного відтворення рушійної сили без витрат теплорода. Таким чином, робота уявлялася як результат перепаду теплорода з вищого рівня на нижчі. Інакше кажучи, теплота може створювати роботу лише при наявності різниці температур. За своїм змістом це і складає зміст другого початку термодинаміки. ККД теплової машини виявився залежним не від робочої речовини, а від температури теплоотдатчика і теплоприймальника. Все це дозволило Карно прийти до визнання принципу неможливості створення вічного двигуна першого роду (тобто безупинно чинної машини, що, будучи якось запущеної, чинила би роботу без притоки ззовні).

Усвідомлюючи хиби теорії теплорода, Карно в кінці решт відмовляється від визнання теплоти незмінної по кількості субстанцією і дає значення механічного еквівалента теплоти. Але публікація цього висновку була здійснена вже після визнання закону збереження енергії, тому даний висновок не зіграв тієї ролі. який міг зіграти. будучи опублікованим раніше. Але так чи інакше Карно заклав основи термодинаміки як поділу фізики, що вивчає найбільш загальні властивості макроскопічних систем, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, і процеси переходу між цими станами. Термодинаміка стала розвиватися на основі фундаментальних принципів або початків, що є узагальненням результатів численних спостережень і експериментів.

б) Перший початок термодинаміки (закон збереження енергії в застосуванні до термодинамічних процесів) говорить: при повідомленні термодинамічної системи (наприклад, пару в тепловій машині) визначеної кількості теплоти в загальному випадку відбувається при збільшенні внутрішньої енергії системи і вона здійснює роботу проти зовнішніх сил. Вище відзначалося, що першим, хто поставив теплоту у зв'язок із роботою, був Карно, але його робота в силу запізнілою публікації не зробила вирішального впливу на формування першого початку термодинаміки. Проте ідея про те, що теплота - не субстанція, а сила (енергія), однієї з форм якої і є теплота, причому ця сила, у залежно від умов, виступає у виді прямування, електрики, світла, магнетизму, теплота, що можуть перетворюватися один в одного, існувала в розумах дослідників. Для перетворення цієї ідеї в ясне і точне поняття, необхідно було визначити загальну міру цієї сили. це зробили, незалежно один від одного, Р. Майер, Д. Джоуль і Г. Гельмгольц.

Р. Майер першим сформулював закон еквівалентності механічної роботи і теплоти і розрахував механічний еквівалент теплоти (1842 р.). Д. Джоуль експериментально підтвердив припущення про те, що теплота є формою енергії і визначив міру перетворення механічної роботи в теплоту. Г. Гельмгольц в 1847 р. математично обгрунтував закон збереження енергії, показавши його загальний характер. Підхід усіх трьох авторів закону збереження енергії був різноманітним. Майер відштовхувався більше від загальних положень, пов'язаних з аналогією між "живою силою" (енергією), що одержували тіла при своєму падінні відповідно до закону всесвітнього тяжіння, і теплотою, що віддавали стиснуті гази. Джоуль йшов від експериментів по виявленню можливості використання електричного двигуна як практичного джерела енергії (це обставина і змушувала його задуматися над питанням про кількісну еквівалентність роботи і теплоти). Г. Гельмгольц прийшов до відкриття закону збереження енергії, намагаючись застосувати концепцію прямування Ньютона до прямування великого числа тіл, що знаходяться під впливом взаємного тяжіння. Його висновок про те, що сума сили і напруги (тобто кінетичної і потенційної енергії) залишається постійною, є формулюванням закону збереження енергії в його найбільш загальній формі. Цей закон - найбільше відкриття XIX століття. Механічна робота, електрика і теплота - різноманітні форми енергії. Д. Бернал так охарактеризував його значення: "Він об'єднав багато наук і знаходився у винятковій гармонії з тенденціями часу. Енергія стала універсальною валютою фізики - так би мовити, золотим стандартом змін, відбувалися у Всесвіті. Те, що було встановлено, являв собою твердий валютний курс для обміну між валютами різноманітних видів енергії: між калоріями теплоти. кілограм-метрами роботи і кіловат-годинами електрики. Вся людська діяльність у цілому - промисловість, транспорт, освітлення і, у кінцевому рахунку, харчування і саме життя - розглядалося з точки зору Залежно від цього одного загального терміну - енергія. "[3]

в) Другий закон термодинаміки - закон зростання Ен?? ропіі: у замкнутої (тобто ізольованої в тепловому і механічному відношенні) системі ентропія або залишається незмінною (якщо в системі протікають оборотні, рівноважні процеси), або зростає (при нерівних процесах) і в стані рівноваги досягає максимуму. Існують і інші еквівалентні формулювання другого початку термодинаміки, що належать різним ученим: неможливий перехід теплоти від тіла більш холодного до тіла, більш нагрітого, без будь-яких інших змін в системі або навколишньому середовищі (Р. Клаузиус); неможливо створити періодично діючу, тобто здійснюючу якийсь термодинамічний цикл, машину, уся робота якої зводилася б до підняття деякого вантажу (механічній роботі) і відповідному охолодженню теплового резервуара (В. Томсон, М. Планк); неможливо побудувати вічний двигун другого роду, тобто теплову машину, що у результаті вчинення кругового процесу (циклу) цілком перетворить теплоту, що отримується від якого-небудь одного "невичерпного" джерела (океану, атмосфери і т.д.) у роботу (В. Оствальд).

В. Томсон (лорд Кельвін) сформулював принцип неможливості створення вічного двигуна другого роду, у 1852 році прийшов до формування концепції "теплової смерті" всесвіту. Її суть розкривається в наступних положеннях. По-перше, у Всесвіті існує тенденція до марнування механічної енергії По-друге відновлення механічної енергії в старій кількості не може бути здійснено. По-третє, у майбутньому Земля опиниться у непридатному для життя людини стані. Через 20 років Клаузіус приходить до того ж висновку, сформулювавши другий початок термодинаміки у виді: ентропія Всесвіту прямує до максимуму. (Під ентропією він розумів розмір, що подає собою суму всіх перетворень, що повинні були мати місце, щоб привести систему в її теперішній стан.)

Суть в тому, що в замкнутій системі ентропія може тільки зростати або залишатися постійною. Інакше кажучи, у всякій ізольованій системі теплові процеси однонаправлені, що і призводить до збільшення ентропії. Варто ентропії досягти максимуму, як теплові процеси в такій системі припиняються, що означає прийняття всіма тілами системи однакової температури і перетворення усіх форм енергії в теплову. Наступ стану термодинамічної рівноваги приводить до припинення всіх макропроцесів, що й означає стан "теплової смерті".

Для поширення другого початку термодинаміки на інші необоротні процеси було введене поняття ентропії як міри безладдя. Для ізольованих систем (не пропускають тепло) другий початок термодинаміки можна виразити таким чином: ентропія системи ніколи не зменшується. Система, що знаходиться в стані рівноваги, має максимальну ентропію.

Поняття ентропії пов'язують і з поняттям інформації. Система, що знаходиться у впорядкованому стані, містить багато інформації, а неупорядкована система містить мало інформації. Так, наприклад, текст книги містить мно