Детская энциклопедия

Меню сайта











Первый закон термодинамики

В 1807 г. физик Гей-Люссак, изучавший свойства газов, поставил простой опыт. Этому опыту было суждено сыграть особую роль в истории термодинамики. Случилось так, что при этом опыте присутствовали его друзья — два выдающихся исследователя: физик и ма­тематик Лаплас и химик Бертолле. Имена этих французских ученых знают теперь все школьники мира.

Давно было известно, что сжатый газ, рас­ширяясь, охлаждается. Правда, никто не знал почему. Гей-Люссак предположил, что это может происходить потому, что теплоемкость газа зависит от его объема. Он решил прове­рить это и заставил газ расширяться в пустоту — в сосуд, воздух из которого был предва­рительно откачан. К удивлению всех трех уче­ных, наблюдавших опыт, никакого понижения температуры не произошло, температура всего газа не изменилась. Исследователи не могли объяснить результат: почему один и тот же газ, одинаково сжатый, расширяясь, охлаждает­ся, если его выпускать прямо наружу в атмо­сферу, и не охлаждается, если его выпускать в пустой сосуд, где давление равно нулю?

Этот опыт был неверно задуман. Получен­ный результат, как и следовало ожидать, не оправдал предположение ученого, и он не понял смысл опыта. Гей-Люссак и его ученые друзья сделали крупное открытие и не сумели его заметить.

Честь первой точной формулировки одного из величайших законов всего естествознания принадлежит немецкому врачу Роберту Майеру. Работая в тропиках, он заметил, что цвет венозной крови у жителей жаркого климата более яркий и алый, чем темный цвет крови у жителей холодной Европы. Наука движется странными путями, и, казалось бы, что может быть общего между расширением газа в пу­стоту и различием в цвете крови? Но, однако, гениальный ученый сумел найти единое в не­сравнимом.

Майер правильно объяснил яркость крови у жителей тропиков: вследствие высокой тем­пературы организму приходится вырабаты­вать меньше теплоты, ведь в жарком климате люди не зябнут. Поэтому в жарких странах артериальная кровь меньше раскисляется и остается почти такой же алой, когда переходит в вены.

У Майера возникла мысль: не изменится ли количество теплоты, выделяемой организмом, при окислении одного и того же количества пищи, если организм, помимо выделения теп­лоты, будет еще производить работу? Если количество теплоты не изменяется, то из одного и того же количества пищи можно получить то больше, то меньше тепла, так как работу организма можно снова превратить в тепло, например, путем трения. Если количество теп­лоты изменяется, то работа и теплота обязаны своим происхождением одному и тому же ис­точнику — окисленной в организме пище, т. е. работа и теплота могут превращаться одна в другую.

Эта замечательная идея сразу дала возмож­ность Майеру сделать ясным и загадочный результат в опыте Гей-Люссака: если теплота и работа взаимно превращаются, то при расширении газа в пустоту, когда он не произво­дит никакой работы, так как нет никакой силы (давления), противодействующей увеличению его объема, газ и не должен охлаждаться. Если же при расширении газа ему приходится производить работу против внешнего давления, его температура должна понижаться. Задаром работу получить нельзя! Но если теплота и ра­бота могут превращаться друг в друга, если эти физические величины сходны, то возникает во­прос о соотношении между ними.

Майер первым поставил этот вопрос: «Мы должны узнать, сколько требуется работы для определенного количества теплоты и наоборот». Он очень красиво решил эту важнейшую зада­чу всей физики.

Давно было известно, что для нагревания газа при постоянном давлении, когда газ рас­ширяется, нужно больше тепла, чем для нагре­вания газа в замкнутом сосуде, т. е. что тепло­емкость газа при постоянном давлении Ср боль­ше, чем при постоянном объеме Cv. Эти величины были уже измерены и хорошо извест­ны. Было установлено, что, хотя обе величины Ср и Сv, зависят от природы газа, разность между ними почти одинакова для всех газов и равна приблизительно двум малым калориям на один моль любого газа:

 

 (точно,   по   современным   данным,—1,987).

Майер понял, что эта разность в теплоте обусловлена тем, что газ, расширяясь, совер­шает работу.

Работу одного моля расширяющегося газа при нагревании на один градус вычислить нетрудно. Любой газ при малой плотности можно считать идеальным — его уравнение состояния было известно: pv=RT. Нагреем этот газ на один градус, при этом он расши­рится, и при постоянном давлении его объем возрастет на некоторую величину v. Тогда по уравнению состояния

 

Нетрудно найти, что

 

 Это замечательный результат — он объясняет физический смысл газовой постоянной R. Она равна работе расширения газа при постоянном давлении, если газ нагревается на один градус. Таким образом, Майер нашел, что для любо­го газа


Это уравнение с тех пор носит его имя. Было известно, что величина

 

Следовательно, 2 малые калории равны 0,848 кг•м работы. Нетрудно вычислить, что одна большая калория равна 426,6 кг•м.

Это число называют механическим эквива­лентом тепла.

Замечательный результат Майера был много раз подтвержден прямыми измерениями; осо­бенное значение имели опыты Джоуля, который измерял количество работы, необходимое для нагревания жидкости вращающейся в ней ме­шалкой. Одновременно измерялись и работа, затраченная на вращение мешалки, и теплота, полученная жидкостью. Как ни менялись усло­вия опыта, брались разные жидкости, разные сосуды и мешалки, результат был один и тот же: всегда из одного и того же количества рабо­ты получалось одно и то же количество тепла. Расчеты Майера и опыты Джоуля решили двух­вековой спор о природе теплоты.

В наши дни, когда и для теплоты и для рабо­ты применяется одна и та же мера, обе эти величины измеряются в джоулях. Доказанный на опыте Майером и Джоулем принцип экви­валентности между теплотой и работой может быть сформулирован очень просто: во всех слу­чаях, когда из теплоты появляется работа, тра­тится количество тепла, равное полученной работе, и, наоборот, при затрате работы полу­чается то же количество тепла.

Этот замечательный вывод был назван пер­вым законом термодинамики. Согласно этому закону, работу можно превратить в теплоту и, наоборот, теплоту— в работу, причем обе эти величины равны друг другу.

Внимательный читатель, наверное, уже сам заметил, что это, конечно, справедливо только для кругового процесса, когда система совер­шает цикл и возвращается в исходное состоя­ние. Расчеты Майера и опыты Джоуля касались именно таких термодинамических циклов. В каждом случае при расчете учитывалось, что система (газ, жидкость) должна быть приведена к исходным условиям.

Таким образом, для любого кругового про­цесса совершенная системой работа А равна по­лученной системой теплоте Q (если измерять и теплоту и работу в одних и тех же единицах):

 

Это уравнение и выражает первый закон термодинамики: нельзя осуществить цикл, в котором система произвела бы работу и не получила бы теплоту. В качестве примера можно взять любую тепловую машину, все они могут работать только на основе циклов: ведь каждая из них должна работать непрерывно.





 
Календарь
«  Декабрь 2016  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031

Новые статьи
Каталог статей
Как подготовить ребенка к школе
Освоение навыков чтения
Природные материалы на уроках труда

Статистика




 
Адрес почты Вопросы по рекомендациям, размещению рекламы и обратных ссылок обращайтесь pochta@enciklopediya1.ru
2013 © 2016