Становление термодинамики в 19 веке: История и развитие термодинамики

История становления и развития термодинамики как науки

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 

Физико-технологический факультет

Кафедра «Материаловедение  и товарная экспертиза»

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине:

 « История науки и техники»

на тему:

История становления  и развития термодинамики как  науки

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент 3-Фт-9     Проверил: доцент

_________ Калинина В.Ю.                                      _________ Тигранова

     ^{(подпись)                      (подпись)}

«___»__________20__г.     «___»__________20__г.

 

      

 

 

 

 

Самара 2011г

 

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………….

3

Раздел 1. Становление термодинамики…………………………………………………………4

Раздел 2. Развитие термодинамики.

 Формирование представлений о превращении энергии………………………………………5

2.1.  Первый закон термодинамики……………………………………………………..7

2.2. Второй закон термодинамики………………………………………………………8

2.3. Третий закон термодинамики……………………………………………………..10

Заключение………………………………………………………………………………………12

Определения и обозначения……………………………………………………………………14

Именной указатель……………………………………………………………………………..16

Приложения……………………………………………………………………………………..17

Основные формулы 

термодинамики………………………………………………………….19

Список использованных источников…………………………………………………………21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Современная термодинамика  занимает особое место в естествознании, в частности является теоретической  основой всей современной энергетики.

 Теплоэнергетика, все  типы двигателей, начиная от паровых  турбин и кончая авиационными  и ракетными двигателями, в  своей теории полностью базируются  на положениях термодинамики.  Многие области деятельности  человека опираются на 

положения  термодинамики. Термодинамика возникла  и стала быстро развиваться  благодаря бурному развитию теплотехники  в конце ХVIII и начале XIX веков.  Исторически термодинамика возникла  в результате требований, предъявляемых  к физике со стороны теплотехники  в связи с практической необходимостью  найти теоретические основы для  создания тепловых машин, в  частности тепловых двигателей, определения путей повышения  их мощности и экономичности.

Термодинамика представляет собой единое, логически построенное  учение, базирующееся на основных принципах, которые принято называть началами или законами термодинамики. Эти  законы представляют собой эмпирически  найденные положения, которые не выводятся из других законов.

Термодинамика является научным  фундаментом, основой, на которой строится современная инженерная теория тепловых двигателей, в том числе авиационных  двигателей, ракетных двигателей и  энергетических систем. Современные  тепловые расчеты всех двигателей целиком  основываются на положениях технической  термодинамики и дают возможность  определить основные параметры и  экономичность различных типов  тепловых двигателей.

 В связи с определяющей  ролью энергетики в развитии  народного хозяйства нашей страны  в настоящее время термодинамическая  наука становится одной из  важнейших производительных сил,  это требует ее непрерывного  развития, совершенствования, уточнения  ее методов, изыскания новых  путей повышения интенсивности  и экономичности двигателей и  энергетических установок. 

Раздел 1. Становление термодинамики

В XVIII веке считалось, что  одно тело теплее другого потому, что  содержит больше теплорода – невесомого вещества, создающего ощущение тепла.

Считалось также, что теплород нельзя ни создать, ни уничтожить – он только переходит от одних тел к другим, вызывая охлаждение первых и нагревание вторых. Однако в 1798 г. министр внутренних дел Баварии, граф Б.Румфорд проделал опыт, оставивший теорию теплорода лишь в пыли библиотек.

В те времена пушки изготавливали  так. Из расплавленного металла отливали пушечные стволы, не оставляя внутри них  канала для ядер. Его высверливали позже – при помощи огромных сверлильных  станков, приводившихся в движение лошадьми. Румфорд заметил, что во время сверления стволы очень  сильно нагревались. Он предположил, что  причина нагревания – трение сверла о пушечный ствол, то есть совершение механической работы.

Для проверки этой гипотезы (предположения) ствол был помещен  в бочку с водой, а для увеличения силы трения использовалось тупое сверло, приводимое во вращение парой лошадей  мюнхенского цейхгауза. Спустя два  с половиной часа, к величайшему  изумлению свидетелей этого грандиозного опыта, вода в бочке закипела! ( см. прил. А.1)

Из опыта следовало  два вывода: либо теплород можно “изготавливать” в неограниченных количествах (и  это приведет к переделке всей теории теплорода), либо нагревание тел  объясняется совсем иными причинами, а теплорода не существует вообще.

Опыт Румфорда показал, что  при совершении работы силой трения всегда возникает некоторое количество теплоты. Поскольку в то время  и работу, и количество теплоты  уже умели измерять, то возникали  несколько вопросов. Первый. Если совершать  по 1 Дж работы над различными веществами (например, сталью, медью, водой и  т.д.) одинаковое ли количество теплоты  выделяется при этом? Второй вопрос. Если одинаковое – то сколько именно? Если же разное, то от каких причин это  зависит? Были и другие вопросы. Поэтому  для дальнейшего развития теории тепловых явлений потребовались  новые экспериментальные данные.

Спустя полвека на арену  научной деятельности выходит соотечественник  Румфорда, манчестерский пивовар  Д.

Джоуль. Его экспериментальной  установкой стал калориметр с погруженной  в него мешалкой, которая приводилась  во вращение опускавшейся гирей (см. прил. А.2). Трение лопастей мешалки о воду или ртуть, которыми заполнялся калориметр, приводило к их нагреванию.

Сила тяжести, опускавшая гирю, совершала над ней работу A = Fтl = mgh. Возникавшее при трении количество теплоты подсчитывали по основной калориметрической формуле: Q=cmDt. Опыт повторяли при различных  условиях: изменяли количество воды, заменяли ее ртутью, меняли массу гири, высоту ее поднятия, диаметр валика, с которого сматывалась нить и т. д.

Заметим, что в XIX веке и  работу, и количество теплоты измеряли не “джоулями”, как сегодня, а  другими единицами. Несмотря на это, вывод Джоуля остается справедливым: при различных явлениях, в которых  совершается работа и выделяется теплота, совершение 1 Дж работы всегда приводит к возникновению 1 Дж теплоты. Этот фундаментальный вывод лег  в основу термодинамики – новой  теории тепловых явлений. С тех пор  она существенно расширилась  и превратилась в теорию о превращениях работы, теплоты и энергии вообще – химической, электрической, ядерной  и т.д. В таком виде термодинамика  существует и по сей день.

Раздел 2. Развитие термодинамики. Формирование представлений о превращении энергии

До возникновения термодинамики  понятие времени по существу отсутствовало  в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается  в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие  во времени и имеющих свою историю. Хотя в качестве переменной время  входит во все уравнения классической и квантовой механики, тем не менее, оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его  знак можно менять на обратный, т.е. относить его как будущему, так  и к прошлому.

Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних  сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена  была исследовать физические процессы при различных преобразованиях  тепловой энергии. Однако она не анализирует  внутреннее строение термодинамических  систем, как это делает статистическая физика, рассматривающая теплоту  как беспорядочное движение огромного  числа молекул.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих  явления передачи, распространения  и превращения тепла. Самым очевидным  является тот факт, что распространение  тепла представляет собой необратимый  процесс. Хорошо известно, например, что  тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в  энергию и потом использовать для производства работы. Не менее  известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот [1, 14].

Термодинамика рассматривает  системы, между которыми возможен обмен  энергией, без учета микроскопического  строения тел, составляющих систему, и  характеристик отдельных частиц. Различают термодинамику равновесных  систем или систем, переходящих к  равновесию (классическая, или равновесная  термодинамика) и неравновесных  систем (неравновесная термодинамика). Классическая термодинамика чаще всего  называется просто термодинамикой и  именно она составляет основу так  называемой Термодинамической Картины  Мира (ТКМ), которая сформировалась к середине 19 в. Неравновесная термодинамика  получила развитие во второй половине 20-го века и играет особую роль при  рассмотрении биологических систем и феномена жизни в целом.

Таким образом, при исследовании тепловых явлений выделились два  научных направления:

1. Термодинамика, изучающая  тепловые процессы без учета  молекулярного строения вещества;

2. Молекулярно-кинетическая  теория (развитие кинетической теории  вещества в противовес теории  теплорода) [1, 19].

В 18 в. были изобретены паровые  насосы, а затем паровые машины. В начале 19 века появились пароходы, началось строительство железных дорог. Широкое применение пара выдвинуло  на первый план исследования тепловых явлений, поиск путей повышения  эффективности паровых машин. Возникла и стала быстро развиваться термодинамика. Процесс ее развития был фактически процессом интеграции знаний. Если в начале века только что родившаяся термодинамика выступала как  механическая теория теплоты, то на склоне века она представляла собой весьма общую теорию, выходящую собственно за рамки тепловых явлений, прикладываемую ко всем физическим и химическим процессам, происходящим в веществе, в различных  системах. Важным достижением на пути этого процесса интеграции знаний было открытие фундаментального закона природы – закона сохранения и превращения энергии.

Основатель термодинамики  С. Карно в своем труде “Размышления  о движущей силе огня и о машинах, способах развивать эту силу” пишет: “Тепло – это не что иное, как движущая сила, или вернее движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тел. Таким образом, можно высказать  общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве, она никогда не создается, никогда  не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызывает то один род движения, то другой …” Чтобы  усмотреть здесь закон сохранения и превращения энергии – достаточно вместо “движущей силы” поставить “энергию” (термин “энергия” был введен еще Юнгом в 1807 г., но прижился не сразу; под “энергией” Юнг понимал произведение массы  тела на квадрат его скорости).

Открытие закона сохранения и превращения энергии обычно связывают с именами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца. Второе начало термодинамики как некоторое  эмпирическое правило было впервые  сформулировано в 1850 г. Р. Клаузиусом и  в 1851 У.Томсоном (Клаузиус ввел понятия  внутренней энергии, а также величины, названной “энтропией”) [1, 23]. 

2.1.  Первый закон термодинамики

На рис. 1( см. прил. Б) условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами.

Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону  термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную  работу над окружающими телами.

Если система обменивается теплом с окружающими телами и  совершает работу (положительную  или отрицательную), то изменяется состояние  системы, то есть изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем).

Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими  параметрами, характеризующими состояние  системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

Первый закон термодинамики  является обобщением закона сохранения и превращения энергии для  термодинамической системы. Он формулируется  следующим образом:

Изменение ΔU внутренней энергии  неизолированной термодинамической  системы равно разности между  количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами

 

ΔU = Q – A (см. таблицу 1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Второй закон термодинамики

На современном научном  языке второе начало термодинамики  звучит так: В необратимых процессах  полная энтропия системы всегда возрастает. Клаузиус и Томсон пришли к фундаментальному выводу, относящемуся к Вселенной  в целом. В действительности обратимых  процессов не бывает. Любое механическое движение происходит с хотя бы с  малой долей превращения механической энергии в тепловую – выделяемую при трении. Рано или поздно все  движущиеся тела остановятся, наступит равновесие, отвечающее максимальной энтропии. Томсон заключил, что “миру грозит тепловая смерть”. И в то же время “энергия мира остается неизменной”. Второй закон термодинамики  называют законом возрастания энтропии.

История и развитие 📙 термодинамики

1. Ключевые стадии формирования термодинамики
2. Закон сбережения энергии, как ключевая стадия формирования термодинамики
3. Тепловая смерть Вселенной

История формирования и продвижения в научную деятельность закона сбережения и преобразования внутренней энергии содействует формированию одновременно двух совершенно разных, но взаимодополняющих друг друга методов изучения тепловых явлений и характеристик макроскопических систем. Первый метод является термодинамическим, он считается фундаментом термодинамики. Второй метод статический, ставших очередной стадией формирования кинетической теории материального вещества, а также, основал фундамент для развития молекулярной физики.

Рисунок 1. Формирование термодинамики.

Термодинамика является научным направлением, которое изучает законы преобразования внутренней энергии в разнообразные физические, химические и иные явления, изучаемые учёными на макроскопическом уровне.

Основные положения термодинамической методики за довольно краткий промежуток времени установили состояние физической деятельности, в том числе, систем, выступающих в роли цепи макроскопических компонентов, которые взаимодействуют и обмениваются энергией с внешним миром. Есть смысл заметить, что впервые наиболее детальное и тщательное описание закона сбережения сил представили физик Рудольф Кладдиус из Германии, а также британский физик, механик и инженер Уильям Томсон, барон Кельвин, который известен собственными трудами в сфере термодинамики, механики, электродинамики.

Существенную лепту в формирование начал термодинамики также привнесли шотландский физик, математик и механик Джеймс Клерк Максвелл, в том числе, австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории Людвиг Больцман. В итоге написания научных трактатов было установлено, что тепло и объём являются фактически энергией.

Состояние каждой макроскопической системы первоначально задаётся параметрами термодинамики, которые характеризуют её ключевые параметры.

По обыкновению, основными термодинамическими показателями являются:

• Природные величины.
• Температурные показатели материального объекта.
• Удельный объём.
• Внешнее давление.

В термодинамике тепловые явления представляются в виде величин, которые регистрируются специализированной аппаратурой, не чувствительными на воздействие определённых молекул. Все положения термодинамики касаются физическим тел, число молекулярных соединений которых довольно велико.

В формировании термодинамики, как науки, в XIX столетии исследователи выделяют три стадии, каждая из которых обладает собственными специфическими особенностями:

• Первая стадия. Данный период в формировании термодинамики, как науки, непосредственно взаимосвязан с именем известного французского физика и математика Николя Леонар Сади Карно. Николя Карно в 1824 году издал первый и единственный свой труд: «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Данный труд является основополагающим в термодинамике.
• Вторая стадия. Данная стадия была ориентировочно до средины XIX века. И она знаменательна тем, что было написано много работ такими известными учёными, как английский физик Джеймс Прескотт Джоуль, внесший существенную лепту в формирование термодинамики, немецкий физик Рудольф Кладдиус, британский физик, механик и инженер Уильям Томсон, барон Кельвин, который известен собственными трудами в сфере термодинамики, механики, электродинамики, термоэлектричества. Данный теоретических мыслей придерживался российский учёный Михаил Васильевич Ломоносов.
• Третья стадия. Данная стадия знаменуется установлением взаимных связей механической и тепловой формы перемещения. Огромное количество экспериментальных опытов провёл знаменитый учёный, физик-теоретик, создатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории из Австрии Людвиг Больцман. Он доказал, что основе тепла в первую очередь лежит механическое перемещение молекул и атомов.

Последующее формирование термодинамики не останавливалось, а активно двигалось повышенными темпами. Далее, в 1897 году, американский физик, физико-химик, математик и механик, один из основателей векторного анализа, статистической физики, математической теории термодинамики Джозайя Уиллард Гиббс создал химическую термодинамику. Таким образом, он превратил физическую химию в полностью дедуктивную научную деятельность.

Уиллард Гиббс ввёл в физику представление свободной энергии, которая демонстрировала, сколько внутренней энергии можно заполучит в итоге воздействия химической реакции. Немецкий физик, врач, физиолог, психолог, акустик Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц осуществлял свои электродинамические и гидродинамические эксперименты с теплом.

Рисунок 2. Закон сохранения энергии.

Ближе к средине XIX века в формировании физики тепловых явлений введён закон сбережения и преобразования энергии. Довольно большое внимание учёные стали предоставлять исследованию явлений физики преобразования тепла в работу. Начали появляться и развиваться мысли о преобразовании природных сил в другие вещества. Над изучением законов сбережения и равноценности тепла трудились такие известные учёные, как:

• Американский физик Альфред Маршалл Майер.
• Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль.
• Российский физик немецкого происхождения Генрих Фридрих Эмиль Ленц.

Данные учёные установили, что коэффициенты тепла и работы системы работают вне зависимости друг от друга. Когда было признано, что тепло является регулярным перемещением, физике необходимо было внимательно и аккуратно изучить свойства данного процесса. В процессе разрешения указанного вопроса начала быстро формироваться кинетическая теория идеальных газообразных веществ. После чего данная гипотеза преобразовалась в новую область физики, с направлением статистической физики.

Последующее формирование кинетической теории теплоты и термодинамики непосредственно взаимосвязано с известным физиком-теоретиком из Австрии, основателем статистической механики и молекулярно-кинетической теории Людвигом Больцманом. Людвиг Больцман являлся членом Венской Императорской академии наук, иностранный член Лондонского королевского общества, член-корреспондент Петербургской академии наук, а также Парижской академии наук и некоторых других академий.

Людвиг Больцман предоставил усовершенствованный вариант свидетельствования закона распределения скоростей молекул химических веществ, в том числе, открыл уравнение для идеальных газообразных веществ, а также экспериментальным образом довёл H-теорему. В соответствии с данной теоремой, каждый элемент, который находится в нестационарном состоянии, медленно в течение определённого времени осуществляет переход в состояние термодинамического равновесия. Собственное учение Людвиг Больцман пояснил, как факт присутствия статистического свойства второго термодинамического закона.

Одной из первоочередных и важнейших проблем, которые напрямую взаимосвязаны с формированием термодинамики, было обсуждение учёных по поводу термической смерти Вселенной. Немецкий физик, математик и механик Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус, а также британский физик, механик и инженер Уильям Томсон, барон Кельвин, заверяли, что второй закон термодинамики можно расширить в полной мере в любом пространстве и сделали умозаключения о тепловой смерти Вселенной.

Большинство учёных не принимали их представления и соображения. В соответствии, с этим предположением, рассеивание тепла в окружающей среде в дальнейшем неумышленно приведёт к тому, что все материальные объекты Вселенной попадут в состояние термодинамического равновесия. По итогу, температурные показатели всех материальных объектов станут идентичными, по данной причине, иные виды энергии из уже существующих заполучит не получится.

Идея «тепловой смерти» обладает физическим и философским смыслом. Пустые мнения по отношению к «краткой жизни» Вселенной, естественно, поддерживают религиозные жрецы, поскольку библейская легенда о происхождении мира и о его окончании конечно же получила доказательство науки. Концепцию «тепловой смерти» Вселенной то же поддержали философы идеалистического толка, а также богословы.

Невзирая на массовые критические рассуждения, усилия реалистически думающих физиков найти неверности в мыслях Уильяма Томсона и Рудольфа Клаузиуса длительное время не получалось. Первейшим учёным, который полностью решил спорную ситуацию о «тепловой смерти» Вселенной, стал Людвиг Больцман. Образовывая статистические объяснения основных постулатов термодинамики, Людвиг Больцман установил, что итоги физиков неправильны. И Больцман назвал некоторое количество причин:

• Первая причина. Не стоит рассчитывать на то, что рассуждения об изолированности Вселенной являются правильными и объективными.
• Вторая причина. Второй закон термодинамики в результате собственного статистического свойства можно использовать исключительно в отношении к огромному числу однородных тел, по данной причине, энтропия имеет возможность уменьшаться в некоторое количество молекул.
• Третья причина. Термодинамические постулаты, а также их статистическое объяснение, создано для молекулярных связей, а Вселенная является иным объектом – это звёзды, планеты, звёздные соединения, галактические системы, таким образом, перенос закономерностей молекулярной системы на другие объекты, организовывающие Вселенную, является полностью несостоятельным.

Собранные Уильямом Томсоном и Рудольфом Клаузиусом итоги являются противоположными первому термодинамическому закону, в котором присутствует утверждение о недопустимости ликвидации перемещения, количественно и качественно. Теория «тепловой смерти» Вселенной, разработанная Уильямом Томсоном и Рудольфом Клаузиусом, ими же была в ближайшее время и погребена.

Project MUSE — Возникновение термодинамики: машиностроение и поэтическая техника Байрона

«Если и нужно найти добродетель в технологии, — замечает Поль де Ман в «Искушении постоянства», — то только в том, что она слишком груба». предложить даже симулякр умиротворения “. ¹ «Сжигая историю, не оставляя материального остатка, технология заставляет нас избавиться от того, что в конце концов является всего лишь ложной безмятежностью», от соблазна постоянства. ² Если тропический язык де Мана отворачивается от технологии — слишком грубой — он тут же обращается к своей механической силе, чтобы прожечь любую иллюзию материального постоянства, с осадком или без него. Как станет ясно, понятие де Мана о технологии, сжигающей историю, подразумевает историческое осознание термодинамической логики машин, которые возникают из паровой машины и теперь сгорают в истории антропоцена, часто датируемой патентом Джеймса Уатта на паровую машину 1784 года, а также известный во времена лорда Байрона как пожарная машина. ³ Термодинамика возникла в результате машиностроения конца 18-го и начала 19-го веков, что привело к размышлениям Сади Карно 1824 года о пожарной машине, как фигуре рассеивания механической силы человека и непостоянства материальной вселенной. ⁴ Многие недавние работы в области викторианских исследований были посвящены образным ресурсам термодинамики; однако его романтическое происхождение и влияние на романтическую эстетику получили мало внимания. Я начинаю с восстановления термодинамической логики машин в технике и живописи эпохи романтизма в 1810–20-х годах, достигнув кульминации в работах Дж. М. У. Тернера и Карно. Затем, более внимательно изучив возникновение термодинамики в романтической поэтике, я обращусь к Байрону как к предметному исследованию, чтобы восстановить инженерную поэтику, которую он развивает около 1820 года, когда он является пионером новой термодинамической логики поэтического механизма. Я заканчиваю размышлениями о критической ценности байроновской термодинамической логики машин для современной антропоценовой мысли. Таким образом, первая цель этого эссе — восстановить забытую историю появления современной техники в период романтизма и ее термодинамическую эстетику. Моя вторая цель — продемонстрировать, как подъем современной инженерии (в гораздо более прагматичной форме, чем вытесненная им ньютоновская наука) напрямую повлиял на поэтику Байрона, поскольку он определил свое поэтическое призвание как «мой пост инженера». ⁵ Романтик [Конец страницы 107] Поэзия и инженерия разделяли термодинамическую эстетику, подпитываемую общим вопросом: какой работы мы можем реально ожидать от материальных форм, когда они работают в условиях строгих ограничений постоянной потери энергии и неизбежного физического истощения? Этот вопрос по-прежнему связан с тем, как мы подходим к поэзии и технике сегодня, и что мы можем ожидать от эстетики и инженерии в антропогеновую эпоху, которую мы разделяем с романтизмом.

Машиностроение знаменует собой переход между простой механикой и термодинамикой: между совершенным миром ньютоновской механики, упорядоченным рациональными принципами движения, и миром, в котором нет ничего постоянного, кроме самого изменения. В то время как термодинамика была формализована в 1850-х годах, ее основные принципы возникли во времена британского романтизма с появлением техники. ⁶ Мишель Серр пишет: «Как только их можно построить и теоретизировать о… паровых двигателях или двигателях внутреннего сгорания… понятие времени меняется. Второй закон термодинамики объясняет невозможность вечного движения… Энергия рассеивается, а энтропия возрастает. .” ⁷ В двигателе сила переходит от «рационализированного» или «математического реального» ( H , 58) ньютоновской механики, которая абстрагировалась от материи, чтобы трактовать движение фигур как постоянно обратимое, неизменное благодаря трению, к материи сама по себе, в которой производство и рассеяние механической энергии за счет трения свидетельствует о «непрекращающемся взаимном обмене фигурами», как выразился один инженер в 1810-х годах. ⁸ Нет больше трансцендентности, только материальная конечность. Инженеры эпохи романтизма открыли то, что стало первым законом термодинамики, формализовавшим закон сохранения энергии: эта энергия не создается и не уничтожается, а трансформируется. ⁹ Концепция энергии основывается на механической теории тепла: всякая сила материально эквивалентна теплу или движению. Тепло — это не отдельное вещество, а просто эффект…

От паровых машин к жизни?

Эта статья из выпуска

ноябрь-декабрь 2007 г.

Том 95, номер 6

Страница 472

Посмотреть выпуск

Однажды днем ​​в 1842 году в городке Уолсолл в самом сердце промышленного центра Англии двое молодых людей стояли у канала и смотрели, как шлюз наполняется водой. Поднимающаяся вода подняла баржу, набитую ценными товарами, на один маленький шаг вверх по пути к какому-то неизвестному промышленному пункту назначения. Двое мужчин размышляли над этим изобретательным использованием силы, этой впечатляющей демонстрацией простой технологии, лежащей в основе промышленного господства викторианской Британии.

Двое мужчин были братьями. Одним из них был Джеймс Томсон, ученик судостроителя, позже ставший профессором инженерии в Университете Глазго. Другим был брат Джеймса Уильям, которому суждено было сделать еще большую карьеру. Пребывание Уильяма в качестве профессора естествознания — также в Глазго — длилось полвека и включало в себя фундаментальные вклады в поразительный спектр наук и технологий, от транспортировки жидкостей до разработки сверхчувствительных телекоммуникаций. В конечном итоге Уильям Томсон будет удостоен дворянства от королевы Виктории, став лордом Кельвином Ларгским.

The Print Collector/Alamy

Ad Right

В декабре 2007 года исполняется столетие со дня смерти Кельвина. Это раннее любопытство к энергии, разделяемое с братом Джеймсом, когда они стояли у канала Уолсолл, было только началом роли Кельвина в самом значительном преобразовании физической науки со времен Ньютона. В тандеме с другими, такими как французский инженер Сади Карно, немецкий физик Рудольф Клаузиус и английский экспериментатор Джеймс Джоуль, Кельвин разработал науку о термодинамика : фундаментальное понимание природы тепла, энергии и температуры.

Ключом к промышленной революции и господству Великобритании в 19 веке было использование энергии. Но что очаровало братьев Томсон в тот день на канале Уолсолл, так это потенциальная трата энергии. Что стало с потерей мощности, когда вода хлынула на ворота шлюза вместо того, чтобы помочь поднять баржу? Какие правила определяли, сколько энергии было потрачено впустую — в этой или любой другой из множества технологий, на которые полагалась промышленность?

Этот вопрос, как оказалось, был не только ключом к эффективности производства, но и к пониманию природы всех преобразований энергии — всего, что происходит во Вселенной, по сути. В поисках ответа на этот вопрос Кельвин в Глазго и Рудольф Клаузиус в Германии разработали, пожалуй, самый фундаментальный физический закон — Второй закон термодинамики, который гласит, что любой обмен энергией является расточительным; идеальная эффективность невозможна.

В то время как Кельвин разработал многие концепции, лежащие в основе термодинамики, именно Рудольф Клаузиус выразил второй закон в математических терминах. Клаузиус ввел величину, которую он назвал 9.0021 энтропия, , которая описывает состояние порядка или структуры в системе. Согласно второму закону, энтропия или беспорядок (более простой, хотя и не совсем точный синоним) увеличивается с каждой передачей энергии. Следовательно, энтропия — своего рода темный двойник энергии, который противопоставляет постоянство энергии (Первый закон гласит, что энергия сохраняется) с ее собственным неизбежным ростом.

Таким образом, Кельвин и Клаузиус руководили первой термодинамической революцией. Сила, стоявшая за этим, была практической: необходимость использовать энергию для промышленности. Его догмой было торжество энтропии и беспорядка. Тем не менее спустя сто лет после смерти Кельвина исследования в области термодинамики ставят под сомнение это послание о хаотической гибели. Некоторые ученые начали выходить за основные ограничения 19термодинамики 19-го века, чтобы объяснить, почему наша Вселенная, по-видимому, характеризуется не распространяющимся беспорядком, а скорее фантастической степенью структуры, сложности и творчества.

Кельвин и Клаузиус уловили сущность энергии, тепла и температуры, но с некоторыми оговорками. Термодинамика Кельвина была наукой о равновесии: она хороша для систем, переходящих из одного стабильного состояния в другое, но мало говорит о системах, не обладающих этой стабильностью. Кроме того, это была изолированная наука: теории Кельвина применялись только к так называемым закрытым системам, на которые по определению не влияет их окружение (например, паровой двигатель, использующий тепло для выполнения работы). И это была «наука о большом», которая описывала практические куски материала, такие как котлы. Ранняя термодинамика подходила для предсказания поведения миллиардов и миллиардов атомов, но не годилась для крошечных систем, таких как сложные молекулы, обнаруженные в живых существах.

Современная термодинамика направлена ​​на то, чтобы выйти за пределы этих ограничений и понять процессы и системы, далекие от равновесия, неразрывно связанные с окружающей средой и по меньшей мере в миллион раз меньшие, чем двигатели промышленного масштаба. Рассмотрим один такой молекулярный двигатель: белок. Преобразуя накопленную химическую энергию в полезную работу — например, транспортировку грузов, катализ химических реакций или прокачку ионов через мембраны — белки делают для жизни то же самое, что большие двигатели времен Кельвина делали для промышленности. Поскольку современные исследования в области термодинамики преодолевают ограничения 19Теория 19-го века столкнулась с одной из величайших проблем современной науки. Новая цель — это вторая трансформация, возможно, более глубокая, чем у Кельвина: выйти за пределы термодинамики инертного мира к термодинамике жизни.

Белки бесспорно выходят за пределы термодинамики Кельвина по нескольким причинам. Белки вовсе не являются «равновесными» механизмами; внутренняя часть клетки представляет собой глубоко гетерогенное место градиентов концентрации и сложных пространственных структур. Размер белка также ограничивает действие законов Кельвина: типичная белковая молекула содержит несколько тысяч атомов и имеет длину всего несколько десятков нанометров. Именно из-за такого масштаба белки неразрывно связаны с окружающим их хаотическим молекулярным морем, которое никогда нельзя назвать замкнутой системой.

Изображение предоставлено М. Фрейндорфом и Т. Фурлани, Центр вычислительных исследований Университета Буффало, и Дж. Конгом, Q-Chem Inc., визуализация выполнена А. Кониаком, Центр вычислительных исследований Университета Буффало.

Флуктуации — ключ к пониманию термодинамики в малых системах. Второй закон, разработанный Кельвином, говорит нам, что в среднем энтропия всегда должна увеличиваться. Но когда такая система, как белковый двигатель, состоит из небольшого числа компонентов — и по сравнению с миллиардом миллиардов миллиардов молекул газа в паровой машине даже белок из десяти тысяч атомов считается маленьким — вы не можете игнорировать колебания относительно этого среднего значения. Молекулы воды, окружающие белок, подвержены броуновскому движению, из-за чего они врезаются в рабочие части белкового двигателя. Неудивительно, что энергия, подаваемая двигателем, имеет тенденцию к значительным колебаниям.

За последние полтора десятилетия ученые разработали теории термодинамики в микроскопическом масштабе. Кристофер Ярзински из Мэрилендского университета, Денис Эванс из Австралийского национального университета и Карлос Бустаманте из Калифорнийского университета в Беркли изучали применение второго закона к миру микроскопических двигателей. С помощью экспериментов, отслеживающих движение отдельных молекул, команда Бустаманте в 2002 году наблюдала, как растянутая молекула РНК возвращается к своей равновесной форме. Два года спустя группа Эванса использовала лазерную ловушку, чтобы улавливать крошечные частицы, находящиеся в тисках броуновского движения. Такие эксперименты дают захватывающее представление о микроскопической термодинамике в реальном мире.

Основной вывод таких исследований заключается в том, что биологические двигатели, такие как белки, не говоря уже о промышленных двигателях того же наномасштаба, действительно попали в мир неизбежных колебаний. Понимание их биофизической функции означает выяснение того, как такие двигатели не только справляются с колебаниями, но и используют их для достижения максимальной эффективности. Такие ученые, как Алан Купер из собственного университета Кельвина в Глазго и Ганс Фрауэнфельдер из Лос-Аламосской национальной лаборатории, потратили годы на изучение этой темы. Данные группы Фрауэнфельдера показывают, что флуктуирующие формы белков образуют сложную иерархию, которая может объяснить универсальность и эффективность таких машин в сложных условиях.

Понимание этих микроскопических белковых двигателей на термодинамическом уровне станет огромным достижением в науке и, возможно, революцией в медицине. Представьте себе лечение болезни за счет перестройки микроскопической работы клетки, а не путем прописывания какого-то химического коктейля. Конечно, такая способность порождает серьезные этические дилеммы. Однако невежество не защищает: наше растущее понимание микроскопической термодинамики является ключом к безопасному и этичному использованию нанотехнологий.

Во времена Кельвина термодинамика сделала возможной промышленную революцию — исторический период, породивший свои собственные этические и социальные вопросы. Точно так же микроскопическая термодинамика сделает возможным новую революцию и вызовет больше дискуссий о надлежащем использовании технологий.

Кельвин наиболее жестоко выразил Второй закон, предсказав, что Вселенная движется к мрачному концу, называемому всеобщей тепловой смертью . Поскольку идеальная эффективность невозможна, потери энергии — еще один способ описания энтропии — всегда увеличиваются. Рассеивание полезной энергии в виде тепла, доведенное до логического завершения, означает, что вся полезная энергия во Вселенной в конце концов будет растрачена попусту.

Но второй закон — это закон равновесия — закон закрытых систем. Что, если важные процессы в нашей Вселенной в подавляющем большинстве случаев не находятся в равновесии, не являются ли они продуктами изолированных замкнутых систем?

Действительно, это именно так: Равновесие крайне редко встречается в мире природы. Возьмем земную атмосферу — систему, находящуюся в глубоком дисбалансе. Воздух, которым мы дышим, представляет собой потенциально нестабильную смесь кислорода, азота, водяного пара и так далее и может быстро исчезнуть во вспышке яростной химии. Однако этого не произошло. Это не случайное колебание: присутствие жизни и постоянный приток солнечной энергии поддерживают это неравновесное состояние. Земное вещество посредством неравновесной термодинамики образовало сложную, но высокоупорядоченную и устойчивую систему.

Термодинамика Кельвина, ограниченная закрытыми системами, находящимися в равновесии, была, таким образом, верхушкой айсберга, когда речь шла об энергии во Вселенной. Но ученые и философы потратили много времени, рассматривая остальную часть айсберга в форме неравновесной термодинамики открытой системы. Бельгийский химик и лауреат Нобелевской премии Илья Пригожин предположил, что системы, находящиеся вне равновесия, и особенно те, которые питаются постоянным источником энергии, не обречены на беспорядочную судьбу, подразумеваемую вторым законом.

В открытых системах энтропия является не столько предвестником гибели, сколько валютой для творчества, потому что в открытой системе локальная энтропия может как расти, так и падать. Правда, любое уменьшение должно быть оплачено большим увеличением где-то в другом месте, но Пригожин и его последователи утверждают, что замена порядка здесь на беспорядок там раскрывает присущую материи созидательность, далекую от равновесия. Постоянный приток свежей энергии позволяет порядку возникать из беспорядка; феномен так называемой самоорганизации, пронизывающий все масштабы, в конечном итоге приводит к творческой вселенной.

Термодинамика открытых систем остается спорной областью, вызывая споры, напоминающие аналогичные споры о сложности и возникновении жизни. Сходства не случайны: все эти идеи противопоставляют спонтанное создание сложности или порядка мандату Второго закона на беспорядок.

Но одними спорами проблему не решить. Возможно, лучший способ узнать больше о термодинамике неравновесных и открытых систем — это не формулировать грандиозные теории, а изучать их следствия в форме осязаемых объектов, реальных кусков материи. Глубокие идеи Кельвина об энергии привели к фундаментальной революции в современной науке, но были прочно привязаны к твердой реальности промышленного строительства викторианской Британии.

Что возвращает нас к микроскопическим двигателям: наиболее интересным объектам, в которых соединяются две темы современной термодинамики — микроскопические масштабы и открытые системы. Хотя изучение отдельных белков является важным краеугольным камнем, клетка зависит от миллионов молекул в сложной сети машин, функции которых взаимосвязаны в различных масштабах. Такое взаимодействие возможно именно потому, что эти живые двигатели открыты колебаниям и не изолированы от окружающей среды. Возможно, сложные функции материи, которые мы называем жизнью, представляют собой не что иное, как это многомасштабное взаимодействие двигателей, сеть, посредством которой энергия снова и снова трансформируется по мере того, как микроскопические машины обмениваются и перемещают материю — манипулируют энтропией — в термодинамическом цикле. подобных которым Кельвин вряд ли мог вообразить.

Если это так, то теория, учитывающая живые двигатели, потребует как термодинамики микроскопической материи, так и термодинамики открытых систем. Текущие исследования обеспечивают прогресс в каждом из них, но задача может заключаться в том, чтобы сопоставить их вместе, соединить осязаемую химическую реальность белковых двигателей с головокружительными концепциями неравновесной термодинамики и самоорганизации. Это может привести нас, наконец, ко второй революции — термодинамике жизни.

Термодинамическая теория Кельвина была лишь одним из результатов его долгой и чрезвычайно любопытной жизни. Выйдя на пенсию, он заявил, что, несмотря на полвека работы, он чувствовал, что понимает в природе физического мира немногим больше, чем все эти годы назад, глядя на воду канала Уолсолл. Сейчас, спустя столетие после его смерти, наука термодинамика, которую открыл Кельвин, действительно более загадочна, более глубока, более мучительна, более актуальна с практической точки зрения и просто более увлекательна, чем когда-либо.