Реферат: История физики: термодинамика и молекулярная физика
Но идеи Карно поначалу остались почти незамеченными, что объясняется, прежде всего, их новизной. И лишь в 1834 г. французский физик и инженер Бенуа Поль Эмиль Клайперон (1799-1864) обратил внимание на эти работы, заменил первоначальный цикл Карно циклом из двух изотерм и двух адиабат и ввел уравнение состояния газа, объединившее законы Бойля и Гей-Люссака.
Окончательно же идею об эквивалентности работы и теплоты в 1842-43 г.г. сформулировали немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814-1878) и Джоуль, которые также численно определили механический эквивалент теплоты.
Джоуль Джеймс Прескотт (24.12.1818–11.10.1889) – английский физик, член Лондонского королевского общества (1850). Родился в Солфорде в семье владельца пивоваренного завода. Получил домашнее образование. Первые уроки по физике ему давал Дальтон, под влиянием которого были начаты экспериментальные исследования.
Работы в области электромагнетизма, теплоты, кинетической теории газов. Установил в 1841 зависимость выделяемого тепла от величины проходящего тока и сопротивления проводника (закон Джоуля-Ленца). Исследовал тепловые явления при сжатии и расширении газов, показал, что внутренняя энергия идеального газа не зависит от его объема. Совместно с У.Томсоном в 1853-54 открыл явление охлаждения газа при его адиабатическом протекании через пористую перегородку (эффект Джоуля-Томсона). Построил термодинамическую температурную шкалу, теоретически определил теплоемкость ряда газов. Вычислил скорость движения молекул газа и установил ее зависимость от температуры, давление считал результатом ударов частиц газа о стенки сосуда. Открыл явление магнитного насыщения (1840) и магнитострикции (1842).
Его именем названа единица энергии - джоуль.
В 1847 г. Гельмгольц вводит понятие энергии, которая не уничтожается, а лишь переходит из одной формы в другую, т.е. сформулировал закон сохранения энергии во всех физических явлениях.
Гельмгольц Герман Людвиг Фердинанд (31.08.1821 – 08.09.1894) – немецкий естествоиспытатель, член Берлинской (1871), Петербургской (1868) и других академий наук и научных обществ. Медаль Копли (1873). Родился в Потсдаме в семье преподавателя гимназии. Учился в Военно-медицинском институте и университете в Берлине. В 1842 г. получил степень доктора по физиологии. В 1849-55 – профессор физиологии Кёнигсбергского, в 1858-71 – Гейдельбергского университетов, в 1871-88 – профессор физики Берлинского университета и с 1888 – президент Физико-технического института (Берлин-Шарлоттенбург).
Физические исследования в областях электродинамики, оптики, теплоты, акустики, гидродинамики. Разработал термодинамическую теорию химических процессов, введя понятия свободной и связанной энергии. Показал колебательный характер электрических процессов в контуре из индуктивности и конденсатора, развил теорию электродинамических процессов в проводящих неправильных телах, теорию аномальной дисперсии света.
Существенные успехи в физиологической акустике и физиологии зрения, разработал количественные методы физиологических исследований, впервые измерил скорость распространения нервного возбуждения.
Заложил основы теории вихревого движения в гидродинамике и теории разрывных движений в аэродинамике. Разработанный Гельмгольцем принцип механического подобия объяснил ряд метеорологических явлений и механизм образования морских волн.
Взгляды Гельмгольца стали основой энергетической школы, для которой в отличие от механистической концепции мира с понятиями материя и сила энергия - единственная физическая реальность, а материя - лишь кажущийся ее носитель.
Основателем механической теории теплоты был Клаузиус, начавший в 1850 г. исследования принципа эквивалентности теплоты и работы и закона сохранения энергии.
Клаузиус Рудольф Юлиус Эммануэль (02.01.1822–24.08.1888) – немецкий физик, член-корреспондент Берлинской АН (1876), член Петербургской (1878) и других академий наук и научных обществ. Родился в Кеслине в семье пастора. Окончил Берлинский университет, степень доктора (1847). Преподавал в Королевской артиллерийской технической школе в Берлине. С 1855 преподавал в Цюрихском политехникуме, с 1867 – профессор Вюрцбергского и с 1869 – Боннского университетов.
Работы в области молекулярной физики, термодинамики, теоретической механики. Математической физики. В 1850 независимо от У.Ранкина получил общее соотношение между теплотой и работой (1 начало термодинамики) и разработал идеальный термодинамический цикл паровой машины (цикл Ранкина-Клаузиуса). Дал математическое выражение 2 начала как в случае обратимых круговых процессов, так и необратимых, показал, что изменение энтропии определяет направление протекания процесса. Ввел в кинетическую теорию газов статистические представления, понятие о сфере действия молекул, первый теоретически вычислил давление газа на стенки сосуда. Доказал в 1870 теорему вириала, связывающую среднюю кинетическую энергию системы частиц с действующими на нее силами. Обосновал связь температуры плавления вещества с давлением (уравнение Клайперона-Клаузиуса).
Теоретически обосновал закон Джоуля-Ленца, развил теорию термоэлектричества, ввел представление об электролитической диссоциации. Разработал теорию поляризации и независимо от О.Моссотти вывел соотношение между диэлектрической проницаемостью и поляризуемостью диэлектрика (формула Клаузиуса-Моссотти).
Клаузиус ввел понятие внутренняя энергия и придал 1 началу точную математическую форму, а также переформулировал 2 начало термодинамики: невозможен самопроизвольный переход тепла от более холодного к более нагретому телу. В 1865 г. он ввел новую величину - энтропию, сыгравшую фундаментальную роль в термодинамике. Эта величина постоянна в идеальных обратимых процессах и возрастает для реальных процессов.
Реализация связи между механическими процессами и тепловыми явлениями была осуществлена в кинетической теории газов. Гельмгольц в 1847 г. первым выдвинул гипотезу о том, что внутренняя причина взаимопревращения механической работы и теплоты лежит в сведении тепловых явлений к явлениям механического движения. Этот путь был найден в 1856 г. немецким физиком Августом Карлом Кренингом (1822-1879), а годом позже Клаузиусом, которые построили кинетическую теорию. Было получено уравнение состояния с учетом средней кинетической энергии молекул и введена связь ее с температурой. Кинетической теории удалось объяснить многие явления: диффузию, растворение, теплопроводность и др. Учет взаимодействия между молекулами и конечности их размеров позволил голландскому физику Иоганнесу Дидерику Ван дер Ваальсу (1837-1923) в 1873 г. ввести поправки в уравнение идеального газа и описать поведение реальных газов.
Формулировка 2 начала термодинамики не соответствовала традиционным механическим представлениям, где все процессы обратимы. Кинетическая теория делает это несоответствие противоречием. Эти трудности были преодолены Максвеллом и Больцманом, которые ввели понятие вероятности физических явлений и поставили на место динамических законов в механике статистические законы в термодинамике.
Максвелл Джеймс Клерк (13.06.1831–05.11.1879) – английский физик, член Эдинбургского (1855) и Лондонского (1861) королевских обществ. Родился в Эдинбурге в семье юриста. Учился в Эдинбургском (1847-50) и Кембриджском (1850-54) университетах. По окончании последнего преподавал в Тринити колледж, в 1856-60 – профессор Абердинского университета, в 1860-65 – Лондонского королевского колледжа, с 1871 – первый профессор экспериментальной физики в Кембридже. Под его руководством создана Кавендишская лаборатория в Кембридже.
Работы в области электродинамики, молекулярной и статистической физики, оптики, механики, теории упругости. Установил статистический закон распределения молекул газа по скоростям (распределение Максвелла), развил теорию переноса, применив ее к процессам диффузии, теплопроводности и внутреннего трения. Создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла), введя понятие тока смещения и само определение электромагнитного поля. Развил идею электромагнитной природы света и раскрыл связь между оптическими и электромагнитными явлениями. Установил соотношения между основными теплофизическими параметрами, развивал теорию цветного зрения. Сконструировал ряд приборов.
Впервые (1879) опубликовал рукописи работ Г.Кавендиша, был известным популяризатором физических знаний.
Его именем названа единица магнитного потока - максвелл.
Больцман Людвиг (20.02.1844–05.09.1906) – австрийский физик, член Австрийской (1895), Петербургской (1899) и других академий наук. Родился в Вене в семье служащего. Окончил Венский университет (1866). Профессор университетов в Граце (1869-73 и 1876-89), Вене (1873-76 и 1894-1900 и с 1903), Мюнхене (1889-94), Лейпциге (1900-02).
Работы в области кинетической теории газов, термодинамики и теории излучения. Вывел закон распределения молекул газа по скоростям (статистика Больцмана). Применив статистические методы, вывел кинетическое уравнение газов, являющееся основой физической кинетики. Связал энтропию системы с вероятностью ее состояния и доказал статистический характер 2 начала термодинамики. Статистическая интерпретация 2 начала вместе с Н-теоремой Больцмана легли в основу теории необратимых процессов.
Впервые применил принципы термодинамики к излучению и теоретически получил закон теплового излучения, который был экспериментально установлен Й.Стефаном. Из термодинамических соображений подтвердил существование по гипотезе Д.Максвелла давления света.
Непрерывные нападки со стороны противников кинетической теории газов вызвали у Больцмана манию преследования, что, возможно, привело к самоубийству.
Второе начало термодинамики уже рассматривается не как достоверный закон природы, а как вероятный. Здесь впервые классическая физика сталкивается с дуализмом явлений природы.
Следует сказать, что термодинамика только в самых своих истоках опиралась на представления механической теории теплоты. По мере развития она превратилась в самостоятельный раздел физики, методология и мощный аппарат которого стал применяться в различных областях физики и химии. Этому в немалой степени способствовали достаточно общие представления о термодинамических потенциалах, основной вклад в развитие которых внес американский физик Джозайя Уиллард Гиббс (1839-1903). В частности, введением понятий свободная энергия и химический потенциал он по существу положил начало новой дисциплины - физической химии и одного из основных ее направлений - термодинамики химических реакций.