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 сприяли розвитку науки, для XIX століття в цілому характерний бурхливий ріст 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 і природничих наук - перевага віддавалася філософії, богослов'я та класичної філології. Наявність великої кількості університетів, територіальна близькість різних факультетів один до одного сприяли активному взаимовлиянию наук. Децентралізація університетської науки сприяла появі великої кількості наукових видань. Успіхи в галузі техніки зумовили зростання практицизму, що призвело до приниженню ролі теоретичних досліджень і посиленню ролі прикладних. Особливістю науки в Англії була відсутність таких центрів, як Національний інститут у Франції і широкої мережі університетів, як у Німеччині. Тому наукові дослідження частіше велися поодинці, в ізольованих один від одного областях науки. Але це були блискучі дослідження, результати яких з-за відсутності необхідних науково-дослідних і навчальних установ нерідко розроблялися вченими інших країн. Відомий історик науки Дж.Мерц, характеризуючи специфіку розвитку науки цього періоду, зазначав, що найбільша кількість скоєних за формою та змістом праць, що стали класичними для всіх часів, виконано, ймовірно, у Франції; найбільша кількість наукових робіт було, ймовірно, виконано в Німеччині ; найбільша частка ідей, які запліднили науку протягом століття, належить, ймовірно, Англії. [1] Спільною для всіх країн характерною рисою розвитку науки в XIX столітті можна вважати посилення її взаємодії з технікою та 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 більшою мірою ставало основою промислової технології і техніки, стимулювало розвиток інших природничих 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 вихідні умови. Структура механіки як науки здавалася міцною, надійною і майже повністю завершеною - тобто не укладаються в існуючі класичні канони феномени, з якими доводилося стикатися. здавалися цілком зрозумілими 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 поступово останні здають свої позиції: сходять з арени теорія флюїдів, теорія теплороду 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 попереднє століття корпускулярна і хвильова концепція світла в XIX столітті продовжили запеклу боротьбу. Перша спиралася на авторитет Ньютона, друга - 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 квітів від різної частоти коливань, які збуджуються світлом на сітківці ока, про притягнення усіма матеріальними тілами ефірного 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 розмаїття квітів звести до коливальним рухам ефіру, а відмінність квітів пояснити відмінностями 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) з принципом інтерференції, (згідно якому накладається хвилі, на противагу корпускулярним променям, не обов'язково посилюються, а можуть і послаблюватись до повного знищення), Френель дав пояснення прямолінійним поширенню світла, показавши, що промені, поляризовані перпендикулярно один до одного, не інтерферують. У дослідах по дифракції світла він встановив. що дифракційні смуги з'являються внаслідок інтерференції променів. Принцип інтерференції дозволив Френелю закони відбиття і заломлення пояснити взаємним погашенням світлових коливань у всіх напрямках, за винятком тих. які задовольняють закону відображення. Френелю вдалося експериментально довести, що світлові промені можуть впливати один на одного, послаблюватися і навіть майже повністю погашатися у випадках приголосних коливань, що і дозволило йому дати пояснення явищу дифракції. Френель довів. що світло є поперечним хвильовим рухом. Він пояснив явище поляризації світла в експериментальних дослідженнях відображення і 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 площина не збігається з площиною падіння або не перпендикулярна до неї. Розвиваючи ідеї Гюйгенса про поширення хвиль в кристалах. Френель заклав основи Крісталлооптіка.
Таким чином, боротьба хвильової та корпускулярної концепції світла в першій половині XIX століття завершується перемогою хвильової концепції - було встановлено, що світло є поперечним хвильовим рухом. Вирішальним внеском у цю перемогу і стало пояснення з допомогою хвильової концепції явищ дифракції та інтерференції світла.
Концепції класичної електродинаміки
Класична електродинаміка, що представляє собою теорію електромагнітних процесів у різних середовищах і вакуумі, охоплює величезну сукупність явищ, в яких головна роль належить взаємодіям між зарядженими частинками, які здійснюються за допомогою електромагнітного поля. Розділом електродинаміки, що вивчають взаємодії та електричні поля покояться електричних зарядів, є електростатика.
Успіхи в області електростатики, що виразилися у встановленні кількісного закону електричних взаємодій, сприяли не тільки накопичення експериментальних даних в області електростатичних явищ і вдосконалення електростатичних машин, а й створенню математичної теорії електро-і магнітостатістіческіх взаємодій. Відкриття Л. Гальвані "тваринної електрики", створення А. Вольта першого генератора електричного струму ("вольтова стовпа"), здійснення першого опису замкненого кола електричного струму, відкриття В. В. Петровим електричної дуги, відкриття Г. Деві і М. Фарадея хімічного дії електричного струму, теоретичні роботи з електро-та 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 і 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", "електричний ланцюг". Під електричним струмом Ампер розумів невпинно 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 встановлено закон механічної взаємодії двох струмів, що течуть в малих відрізках провідників, що знаходяться на деякій відстані один від одного. З даного закону варто. 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 у площинах, перпендикулярних лінії, що з'єднує полюси магніту, випливав природний висновок про те, що соленоїд еквівалентний магніту. Революційний зміст цього висновку був очевидний: для пояснення явища магнетизму більше не було потрібно наявності "магнітної рідини" - все явище магнетизму виявилося можливим звести до електродинамічних взаємодіям.
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 (хімічне 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 здійснення електромагнітних взаємодій по засобом електромагнітного поля, тобто на основі концепції блізкодействія. Це поклало початок формуванню концепції електромагнітного поля, оформлену Д. Максвеллом.
Електромагнітне поле Максвелла і ефір
Теорія Ньютона успішно пояснила рух планет навколо Сонця під впливом сили тяжіння, але не змогла вірно пояснити рух електрично заряджених частинок, які взаємодіють один з одним через порожній простір під впливом електричних і магнітних сил - модель атома нагадує модель Сонячної системи (у центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, навколо якого обертаються електрони). Разом з тим між гравітаційними й 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 притягуються; 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 труднощів. пов'язаних з ньютоновским дією на відстані. У XIX ст. полі описувалося за аналогією з рухомої рідиною, тому воно характеризувалося за допомогою таких термінів, як "магнітний потік", "силові лінії" тощо Опис ж поля як рідини передбачає середу, передає дію від одного заряду до іншого. Таку гіпотетичну рідина назвали ефіром. Вважали, що ефір заповнює все пусте простір, залишаючись невидимим. Електромагнітні поля представлялися у вигляді натягів в ефірі. Заряджені частинки породжували в ефірі хвилі натягів. швидкість поширення яких, як і показали розрахунки, виявилася близько 300000 км / с. Світло стало 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 якій 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 поперечности світлових хвиль (наприклад, гіпотеза абсолютно нестисливого ефіру, гіпотеза нерухомого ефіру, гіпотеза ефіру, частково увлекаемого за собою 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 єдиної 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 протікають у часі. Причина електричних струмів була їм названа електрорушійної силою.
Стан електромагнітного поля в теорії Максвелла задається напруженістю електричного поля і магнітної індукції. 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 у 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 вагалося 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 спостережуваний струмі, індукованим рухомими магнітами, або за даними про створюваний 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 зі світлом нічого спільного. Він з цих вимірів зробив висновок про те, що вагалося електричне поле поширюється у вигляді хвиль зі швидкістю світла. Цим було встановлено зв'язок між оптикою і електрикою - областями, які раніше представляли не пов'язаними один з одним. Оптика стала розділом електродинаміки.
Таким чином, світло виявився не чим іншим, як поширенням 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: переломлення, відображення, інтерференцію, дифракцію, поляризацію, ту ж швидкість розповсюдження. (Оцінюючи результати своїх експериментів, Герц чудово розумів, що вони руйнують будь-яку теорію, яка вважає, що електричні сили розповсюджуються в просторі миттєво.)
Концепція Максвелла стала новим кроком у розумінні природи електричних і магнітних явищ, який зумовив можливість появи радіо, радиолакации, 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 за 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 поширення.
Розвитком концепції Максвелла було вимірювання П.М. Лебедєвим тиску світла, передбаченого Максвеллом, а також використання електромагнітних хвиль для бездротового зв'язку А. С. Поповим та Г. Марконі.
Молекулярно-кінетична концепція теплових процесів
Як зазначалося раніше, глибоке вивчення теплових процесів передбачає врахування молекулярної будови речовини. Рішення такого завдання виявилося зв'язаним 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 класичній статистичної механіки, на відміну від динамічної, задаються не координати та імпульси частинок системи, а функція розподілу частинок за координатами і імпульсам, що має сенс щільності ймовірності виявлення спостережуваних значень координат і імпульсів.
Панування концепції теплороду і відсутність необхідних експериментальних фактів в першій половині XIX століття затримали розвиток молекулярно-кінетичної теорії речовини. Відкриття закону збереження енергії продемонструвало зв'язок теплоти з рухом невидимих частинок речовини, давши поштовх дослідженням, розпочатим Р. Бойл, М. В. Ломоносовим, Д. Бернуллі та ін М. В. Ломоносов вперше висловив ідею про тепловому обертальному русі 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 атомної 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 частинками) 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 молекулярний рух. Досліди Ж.Л.Гей-Люссака і Д. Джоуля підтвердили незалежність внутрішньої енергії ідеальних газів від їх обсягів, що було свідченням нікчемності діючих між їх молекулами сил. Р. Клаузіус до поступального руху молекул додає обертальне і внутрішньомолекулярної 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 і 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 було встановлено закон розподілу молекул за швидкостями (всяка система, спочатку містить швидкі (гарячі) і повільні (холодні) молекули, повинна прийти в такий стан, при якому більшість молекул рухається зі середніми швидкостями, стаючи ледь 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 вірогідного 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 стосується до руху окремої молекули. Незворотність руху виявляється в поведінці лише величезного числа молекул.
Класична статистична механіка завершується роботами Д. Гіббса, який створив метод розрахунку функцій розподілу не тільки для газу, але взагалі для будь-яких систем у стані термодинамічної рівноваги. Загальне ж визнання статистичної механіки настане вже в 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, соударяющихся 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. Броуном, 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 частинкам. Це спостереження виглядає суперечить всьому попередньому досвіду. Молекулярно-кінетична теорія дозволила пояснити виниклу трудність.
Суть справи полягає в наступному. Частинки, що рухаються у воді і спостерігаються в мікроскоп, бомбардуються меншими частками, з яких складається вода. броунівський рух виникає внаслідок того, що дана війна в силу своєї хаотичності і неоднаковості з різних сторін, не може бути врівноважена. Важливо, таким чином, те, що спостерігається в мікроскоп рух є результатом руху, який в даний мікроскоп ненаблюдаемость: хаотичний характер поведінки великих часток відображає хаотичність поведінки молекул, з яких складається речовина. Звідси ясно, що кількісне вивчення броунівського руху дозволяє глибше проникнути в кінетичну теорію речовини. Оскільки бомбардирующие 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 молекулі або атому). Разом з тим знання будівлі речовини необхідно для розуміння законів теплових явищ.
Тіло, аналізоване 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 рідину (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 теплороду поділялася багатьма вченими. У кінці 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 до 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 теплоприймача. ККД будь-якої теплової машини не може бути при тих же температурах теплоотдатчика і теплоприймача вище ККД циклу Карно.
Карно першим розкрив зв'язок теплоти з роботою. Але він виходив із концепції теплороду, що визнавала теплоту незмінної по кількості субстанцією. Водночас 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 теплороду. Таким чином, робота представлялася як результат перепаду теплороду 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 теплоприймача. 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 зрештою 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 найбільше 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 термодинамічній системі (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 зазначалося, що першим, хто поставив теплоту у зв'язок із роботою, був Карно, але його робота в силу запізнілої 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, в залежності від умов, виступає у виді руху, 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 у 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 (ця 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, які знаходяться під впливом взаємного тяжіння. Його висновок про те, що сума сили і напруги (тобто кінетичною і потенційною енергією) залишається постійної, 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 сказати, золотим стандартом змін, що 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 погляду залежності від цього одного загального терміна - енергія. "[3]
в) Другий початок термодинаміки - закон зростання ентропії: 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: неможливі перехід теплоти від тіла більш холодного до тіла, більш нагрітому, без яких-небудь інших змін у системі або навколишньому середовищі (Р. Клаузіус); неможливо створити періодично чинну, т. е. здійснювало будь-якої 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, яка в результаті вчинення кругового процесу (циклу) цілком перетворить теплоту, одержувану від якогось 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 таких 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 в непридатному для життя людини стані. Через 20 років Клаузіус приходить до того ж висновку, сформулювавши другий початок термодинаміки у виді: ентропія всесвітом прагне до максимуму. (Під ентропією він розумів розмір, що представляє 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 призводить 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 висловити наступним чином: ентропія системи ніколи не зменшується. Система, що знаходиться в стані рівноваги, має максимальну ентропію.
Поняття ентропії зв'язують і з поняттям інформації. Система, що знаходиться в упорядкованому стані, містить багато інформації, а неупорядкована система містить мало інформації. Так, наприклад, текст книги містить багато інформації, а випадковий набір букв не несе інформації. Інформацію тому й ототожнюють із негативною ентропією (або негентропії). При зростанні ентропії інформація зменшується.
Серед множини висунутих проти цього висновку заперечень найбільше відомим було заперечення Максвела. Він виходив з того, що другий початок має обмежену область примірення. Максвел вважав другий початок термодинаміки справедливим, поки ми маємо справу з тілами, що володіють великою масою, коли немає можливості розрізняти в цих масах окремі молекули і працювати з ними. Він запропонував проробити уявний експеримент - уявити собі істоту, спроможне стежити за кожній молекулою у всіх її рухах, і розділити якийсь судину на дві частини перегородкою з маленьким отвором у ній. Ця істота (назване "демоном Максвела"), спроможне розрізняти окремі молекули, буде поперемінно те відчиняти, то закривати отвір таким чином, щоб швидко рухаються молекули могли переходити в іншу половину. У цьому випадку "демон Максвелла" без витрати роботи зміг би підвищити температуру в першій половині судини і понизити в другий всупереч другому початку термодинаміки.
Даний процес асиметричний в часі - без зовнішнього втручання він не може стати оборотним. Тобто безтямно очікувати в цьому випадку, що гази повернуться в початкове положення. Можна сказати, що в природі порядок прагне поступитися місцем безладдя. Проте можна навести приклади, що начебто б суперечать даному принципу зростання ентропії. Так, живі системи у своєму розвитку ускладнюються, що виростають із рідини кристали є упорядоченнее цієї рідини і т.д. Проте повна ентропія системи разом із навколишнім середовищем зростає, тому що біологічні процеси здійснюються за рахунок ентропії сонячного випромінювання і т.д.
Л. Больцман, що почав спробу пояснити, чому порядок поступається місцем безладдя, сформулював H-теорему, що є результатом з'єднання двох підходів до наближення газу до стану рівноваги - макроскопічного (законів ньютонівської механіки, що описують прямування молекул) і мікроскопічного (вихідного з уявлення газу як прагнучого до безладного перерозподілу). З теореми випливав висновок про те, що ентропія може тільки зростати - таке поводження термодинамічних систем у часу.
Проте з Н-теоремою Больцмана виявився пов'язаним парадокс, навколо якого виникла дискусія. Суть полягає в тому, що за допомогою однієї заснованої на механіці Ньютона молекулярної теорії довести постійний ріст ентропії замкнутої системи не можна, оскільки ньютонівська механіка симетрична в часу - будь-який рух атомів, заснований на законах ньютонівської механіки. може бути представлене як відбувається в зворотному напрямку. Оскільки асиметрію не можна вивести із симетрії, то теорема Больцмана (яка на основі лише однієї механіки Ньютона підтверджує, що зростання ентропії асиметричного в часу) не може бути вірною - для доказу необхідно було до законів механіки додати й асиметрію. Так що чисто механічна інтепретація закону зростання ентропії надавалася неспроможної. На це першим звернули увагу Й. Лошмідт і Е. Цермело.
При висновку Н-теореми Больцман крім механіки Ньютона спирався на припущення про молекулярний хаос, що, однак, не завжди вірно. За теорією ймовірності, можливість того, що молекули газу в згаданому раніше судині будуть рухатися не хаотично, а кинуться в якусь одну його половину, не є нульовий, хоча і зникаюче мала. Тому можна сказати, що в принципі можуть бути випадки, коли ентропія убуває, а хаотичне прямування молекул буде упорядковуватися. Таким чином, Н-теорема Больцмана описує механізм переходу газу зі стану з низькою ентропією в рівноважне, але не пояснює, чому це відбувається в одному і тому самому напрямку в часу, а саме з минулого в майбутнє. А раз це так, то больцманівська модель позбавляється тимчасової асиметрії.
Але тимчасова асиметрія - це реальний факт. Упорядкованість реальних систем може виникати за рахунок зовнішніх впливів, а не за рахунок внутрішніх безладних флуктуацій (будинок, наприклад, споруджується будівельниками, а не в результаті внутрішніх хаотичних рухів). У реальності всі системи формуються під впливом навколишнього середовища. Для розрізнення реальних систем, які, відокремлюючись від навколишнього Всесвіту, приходять у стан із низькою ентропією, і больцманівських постійно ізольованих від навколишнього середовища систем, Г. Рейхенбах назвав перші гілкуюються - у їх ієрархії упорядкованість кожній залежить від попередньої. Гілкуюються поводиться асиметрично в часу через схований вплив ззовні. При цьому причина асиметрії - не в самій системі, а у впливі. У реальному світі больцманівських систем немає.
Асиметричні в часі процеси існують і у галузях за межами термодинаміки. Прикладом таких процесів можуть служити хвиля (у тому числі радіохвилі). Так, радіохвилі поширюються від передавача в навколишній простір, але не навпаки. Аналогічно існує справа з поширенням хвиль від кинутого в ставок каменю. Хвилі, що біжать від джерела (припустимо, кинутого в ставок каменю) у різні сторони, називають запізнілими. У принципі можливі і випереджальні хвилі, які можуть виникнути тоді, коли обурення спочатку проходять через віддалену точку, а потім сходяться в місці поширення джерела хвилі. Ізольований ставок є симетрична в часу система, як і больцманівська посудину з газом. Кинутий у нього камінь створює гілкуючу структуру. Радіохвиля ж назад не повернеться, бо поширюється в безмежному просторі. Тут ми маємо справу з необмеженою диссипацией (розсіюванням) хвиль і часток, що собою ще один тип необоротної тимчасової асиметрії. Виходить, утворення розгалужених структур і необоротна асиметрія безкінечного хвилястого прямування роблять необхідним урахування великомасштабних властивостей Всесвітом.
Таким чином, дискусія з приводу другого початку термодинаміки призвів до висновку, що закони мікросвіту ситуацію з "демоном Максвела" роблять нездійсненної, але разом з тим вона сприяла з'ясуванню того, що другий початок термодинаміки є законом статистичним.
г) Третій початок термодинаміки (теорема Нернста): ентропія фізичної системи при прагненні температури до абсолютного нуля не залежить від параметрів системи і залишається незмінною. Інші формулювання теореми: при прагненні температури до абсолютного нуля всі зміни стану системи не змінюють її ентропії; за допомогою кінцевої послідовності термодинамічних процесів не можна досягти температури абсолютного нуля. М. Планк доповнив теорему гіпотезою, відповідно до якої ентропія всіх тіл при абсолютному нулі температури дорівнює нулю. З теореми випливають важливі слідства про властивості речовин при температурах, близьких до абсолютного нуля: набувають нульове значення питомі теплоємності при постійних обсязі і тиску, термічний коефіцієнт розширення і тиски. Крім того, із теореми випливає недосяжність абсолютного нуля температури при кінцевій послідовності термодинамічних процесів.
Якщо перший початок термодинаміки підтверджує, що теплота є форма енергії, що вимірюється механічною мірою, і неможливість вічного двигуна першого роду, то другий початок термодинаміки повідомляє неможливим створення вічного двигуна другого роду. Перший початок увів функцію стану - енергію, другий початок увів функцію стану - ентропію. Якщо енергія закритої системи залишається незмінною, то ентропія цієї системи, що складається з ентропій її частин, при кожній зміні збільшується - зменшення ентропії вважається суперечить законам природи. Співіснування таких незалежних один від одного функцій стану, як енергія й ентропія, дає можливість робити висловлення про теплове поводження тіл на основі математичного аналізу. Оскільки обидві функції стана обчислювалися лише стосовно довільно обраного початкового стану, визначення енергії й ентропії не були досконалими. Третій початок термодинаміки дозволило усунути цей недолік. Важливе значення для розвитку термодинаміки мали встановлені Ж.Л.Гей-Люсаком закони - закон теплового розширення і закон об'ємних відношень. Б. Клапейрон установив залежність між фізичними величинами, що визначають стан ідеального газу (тиском, обсягом і температурою), узагальнене Д. И. Менделєєвим.
Таким чином, концепції класичної термодинаміки описують стани теплової рівноваги і рівноважні (які протікають нескінченно повільно, тому час в основні рівняння не входять) процеси. Термодинаміка нерівноважних процесів виникає пізніше - у 30-х рр.. ХХ століття. У ній стан системи визначається через щільність, тиск, температуру й інші локальні термодинамічні параметри, що розглядаються як функції координат і часу. Рівняння нерівноважної термодинаміки описують стан системи в часі.
Виникнення передумов атомної та ядерної фізики
Концепції атомної та ядерної фізики будуть розгортатися в ХХ столітті, але події, що дали їм поштовх, сталися наприкінці XIX століття. На стику XIX і ХХ ст. в науці здійснилися відкриття, які змусили завагатися склалася картину світу. Уявленням, заснованим на класичній механіці, судилося поступитися місцем новій, що залишається до цих пір багато в чому не завершеної картини світу. Події, що поклали початок процесу зміни картини світу, пов'язані з відкриттям рентгенівських променів і радіоактивності (1895-1896 рр..), Відкриттям електрона (1897 р.), структури кристала (1912 р.), нейтрона (1932 р.), поділу ядра атома (1938 р.) і т.д., а також з теоретичними роботами: квантової теорії М. Планка (1900 р.), спеціальною теорією відносності А. Ейнштейна (1905 р.), атомної теорією Резерфорда - Н. Бора (1913 р .), загальною теорією відносності А. Ейнштейна (1916 р.), хвильової механіки Л.де Бройля і Е. Шредінгера (1923-1926 рр..) і т.д. Оскільки в основу викладу розвитку фізичних концепцій було покладено і хронологічний принцип, то і наукові відкриття, що відбулися в кінці XIX століття (хоча головні події, наступні за ними, будуть відбуватися вже в ХХ столітті), доцільно розглянути в руслі розвитку фізики кінця XIX століття.
Кінець XIX століття демонстрував наявність теорії, що задовольняє практичних потреб. Явища електромагнетизму використовувалися в освітлювальних і силових пристроях. Термодинамічні концепції привели до створення двигуна внутрішнього згоряння і хімічним підприємствам, Електромагнітна теорія викликала до життя радіо. Ці досягнення були практичною реалізацією затвердилися наукових знань, від яких важко було чекати чогось принципово нового. Так що радикальні зрушення слід було очікувати в тих галузях фізики, які досі перебували в тіні і в яких спостерігалися якісь явища, не укладаються в існуючі фізичні концепції. Область фізики, що займалася вивченням електричних розрядів, виявилася саме такою. Однак проводилися з електричними розрядами в вакуумі досліди призвели до цікавих результатів, а електротехнічна промисловість виявила потребу в удосконаленні вакуумної техніки. Все це посилило інтерес до досліджень у цій галузі фізики.
Першим результатом посилення цього інтересу було відкриття У. Круксом катодних променів, які він назвав променистої формою матерії. Д. Стогін назвав катодні промені електронами, Ж. Перрен виявив у них негативний заряд, а Д. Томсон виміряв їх швидкість. Наступним кроком було скоєно непередбачене відкриття К. Рентгеном - виявлення Х-променів (що отримали назву рентгенівських), що виходили з катодно-променевої розрядної трубки. Це відкриття, крім практичних перспектив, мало важливе значення для інших областей фізики. Д. Томсон встановив, що не лише електрони, які вдарялися про яку-небудь речовину, породжували рентгенівські промені, а й останні при ударі об речовина породжують електрони. Той факт, що електрони могли вилучатись з різних речовин, свідчило про належність їх до електричної матерії. Оскільки вона складалася з окремих частинок (атомів), то це спонукало Д. Томсона звернутися до розкриття внутрішньої структури атома. Існування електрона - зарядженої частинки з масою. яка менша за масу атома і яка з'являється з речовини при певних умовах, наводила на думку про те, що ця частка є структурним елементом атома. А якщо атом електрично нейтральний, то повинен бути структурний елемент і з позитивним зарядом.
Перша модель атома, запропонована В. Томсоном і потім Д. Томсоном, включала кулясте хмара позитивного заряду, всередині якого знаходяться електрони, розташовані в цій хмарі концентричними кільцями. Дана модель проіснувала недовго. Але це був перший крок у розкритті структури атома. Наступні моделі атома з'явилися вже в ХХ столітті (модель Е. Резерфорда і модель Н. Бора).
Відкриття рентгенівських променів було випадковим. Відкриття радіоактивності, що послідувало услід за відкриттям рентгенівських променів, також виявилося випадковим. А. Беккерель намагався встановити, чи не випромінюються чи подібні промені іншими тілами. З різних речовин, якими він володів, Беккерель випадково обрав солі урану. промені, які виходять з урану, були радіоактивними, причому виходили без будь-яких пристроїв - вони випускають самим радіоактивною речовиною. П'єр і Марія Кюрі виділили ще більш сильні радіоактивні елементи - полоній і радій. Е. Резерфорд, вивчаючи характер радіоактивного випромінювання, відкриває альфа-промені і бета-промені і пояснює їх природу. М. Планк встановив. що атоми віддають енергію не безперервно, а порціями, тобто існування граничної кількості дії, що контролював кількісно всі енергетичні обміни в атомних системах (постійна Планка - h, що дорівнює 6,6 × 10-27 ерг / сек. К. Лоренц створює електронну теорію, синтезувати ідеї теорії поля атомної теорії. І хоча спочатку він не вживає терміну "електрон", а говорить про позитивно і негативно заряджених частинках речовини. відкриття радіоактивності і перетворення атомів похитнуло фізичні і хімічні уявлення XIX століття. Це стосувалося закону незмінних елементів, встановленого Лавуазьє. Мимовільний радіоактивний розпад в умовах відсутності дослідних даних про синтез нових атомів міг тлумачитися як однобічний процес поступового руйнування речовини у Всесвіті. Відкриття першої субатомній частки - електрона - виглядало аргументом на користь відкинутих уявлень про електричну субстанції. Здавалося, що був поставлений під сумнів і закон збереження енергії. Виникла ситуація свідчила про те, що нові експериментальні факти не вкладаються в існуючу фізичну парадигму. Таким чином, позначилися витоки революційних перетворень у фізичних концепціях. Перший етап цих перетворень почався в кінці XIX століття. Наступні етапи розгорталися вже у XX столітті.