Главная Обратная связь

Дисциплины:






Экспериментальное обоснование закона эквивалентности

Исходным пунктом в развитии научных идей, которые привели к установлению первого закона термодинамики, явились работы немецкого физика Юлиуса Майера (1814-1878) и английского физика Джеймса Джоуля (1818-1889), проведенные независимо друг от друга в начале 40х гг IX столетия. Их целью было установить возможен ли переход работы в теплоту, и определить сколько можно получить теплоты при полном превращении в теплоту некоторого количества работы, если такой переход действительно возможен. Необычность этих исследований определялась тем, что в это время господствовало убеждение, что работа и теплота – независимые физические величины. Теплоту рассматривали как некое невесомое вещество (теплород), способное проникать во все тела и переходить от одного тела к другому. При этом происходит понижение температуры одного тела и повышение температуры другого. При такой интерпретации сущности теплоты переход работы в некую невесомую субстанцию казался невозможным. И хотя к моменту начала работ Майера и Джоуля наука располагала фактами, которые говорили о возможности перехода работы в теплоту, они не носили убедительного и обобщающего характера.

В своих работах доказательство, что работа может переходить в определенное количество теплоты Майер и Джоуль сводили к доказательству, что отношение затраченной работы к полученной теплоте представляет строго определенную величину, не зависящую от вида процесса и технических устройств, которые используются для определения теплоты, получаемой за счет произведенной работы. Если работу измерять в джоулях, а теплоту в килокалориях, соотношение, которое выражало новый физический закон, и объективную достоверность которого доказывали Майер и Джоуль, можно представить в следующем виде

В настоящее время значение J принимается равным 4183,52 Дж/ккал

или

Уравнения (1), (2) называются уравнениями эквивалентности между работой и теплотой. Из (2) следует, что в любом произвольном процессе, в котором работа полностью превращается в теплоту для получения одной килокалории теплоты необходимо затратить 4,184 кДж работы.

(3)

Ключевое условие – работа полностью превращается в теплоту, выполняется в общем случае лишь для определенного типа процессов, которые называют циклическими или по устаревшей терминологии круговыми. Процесс называется циклическим, если после его завершения система возвращается в исходное состояние: параметры системы в конце циклического процесса имеют такие же значения, которые они имели в начале процесса. Примером циклического процесса является процесс, состоящий из изотермического расширения идеального газа А → В, изобарного В → С и изохорного С → А сжатия (рис. 1).



      Рис. 1. Циклический процесс, состоящий из процессов расширения и сжатия идеального газа А → В → С → А  

Разумеется, есть частные варианты, когда работа полностью превращается в теплоту и в нециклических процессах. Но в общем случае уравнение (1), еще раз повторимся, справедливо лишь для циклических процессов. Таким образом, в более развернутом виде закон эквивалетности (1) можно представить уравнением

или

В уравнениях (4), (5) – сумма всех работ, которые совершает система и которые совершаются средой над системой. Аналогично, – сумма теплот, которые переходят от внешней среды к системе и от системы к внешней среде. В соответствии с (4), (5) в произвольном циклическом процессе суммарная работа эквивалентна суммарной теплоте.

Для обратной величины механического эквивалента имеем

Обратная величина называется тепловым коэффициентом работы. Уравнение показывает, что для получения одного кДж работы необходимо затратить 0,239 ккалории теплоты.

В системе СИ работа и теплота измеряются в одинаковых единицах, джоулях, поэтому принцип эквивалентности выглядит особенно просто: в циклическом процессе работа равна теплоте

(7)

Процессы, которые использовали Майер и Джоуль для определения механического эквивалента теплоты удовлетворяли условию цикличности. Впервые значение J (в размерности кгс∙м*/ккал) вычислил Майер, но оно оказалось очень не точным.

Работа была опубликована в 1842 г, но прошла незамеченной, не вызвав __________________________

*килограмм – сила на метр (кгс∙м) это работа, которая совершается телом весом 1 кг (G = 1 кг) на пути 1 м; кгс∙м = G × 1м = mg × 1 м = 9,80665 Дж

никаких откликов. Но, учитывая важность и значение для развития науки принципа эквивалентности работы и теплоты, некоторые ученые считают этот год – годом зарождения закона сохранения энергии. Так в 1942 г Планк опубликовал работу «Юлиус Роберт Майер. К столетию открытия закона сохранения энергии»

Для определения J использовались различные приборы и установки, и во всех изученных процессах значение механического эквивалента в пределах погрешности оставалось постоянным. Постепенно зрело убеждение, что закон эквивалентности должен выполняться и в более сложных явлениях и процессах с участием всех известных к тому времени физических сил.

Развитие идей, заложенных в законе эквивалентности, привело, в конечном счете, к пониманию, что он является частным случаем более широкого и всеобщего закона – закона сохранения энергии. Особенно большую роль в осмыслении, что принцип эквивалентности ведет к более фундаментальному обобщению, сыграли работы и публичные выступления Гельмгольца. В 1847 г он опубликовал работу «О сохранении силы»*, в которой, применив закон эквивалентности к анализу механических, тепловых, электрических и физиологических процессов, обосновал закон сохранения энергии и показал его универсальность и всеобщее значение.

Закон сохранения энергии обычно выражают в таком виде: энергия не создается из ничего и не уничтожается, не исчезает бесследно. Она может лишь переходить из одной формы в другие в строго эквивалентных количествах. Термин эквивалентность используется в том случае, когда виды энергии имеют разную размерность. При одинаковых размерностях один вид энергии превращается в точно такое же количество другого вида.

Закон эквивалентности, который послужил основой для такого фундаментального обобщения как закон сохранения энергии, является его частным вариантом, когда изменение энергии происходит в форме теплоты и работы.

__________________________

*В это время отсутствовало понятие энергии и вместо термина «энергия» использовали термин сила

 

 





sdamzavas.net - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...