IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017
СТАТИСТИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАКРОСИСТЕМ
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Вокруг нас происходят явления, внешне не похожие на механическое движение, – это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел, представляющих собой макросистемы, или при переходе их из одного состояния (например, жидкого) в другое (твёрдое либо газообразное). Такие явления называются тепловыми, они играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. Изменение температуры на 20–30 °C при смене времени года меняет всё вокруг нас: например, с наступлением весны природа преображается, леса и луга зеленеют. От температуры окружающей среды зависят условия жизни на Земле. Люди добились относительной независимости от окружающей среды после того, как научились добывать и поддерживать огонь, – это было одним из величайших открытий, сделанных на заре зарождения человечества.
Развитие представлений о природе тепловых явлений – пример того, каким сложным и противоречивым путем постигается естественнонаучная истина. Многие философы древности рассматривали огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно предпринимались попытки связать теплоту с движением, ибо было замечено, что при соударении тел, или их трении они нагреваются.
Первые успехи на пути построения научной теории тепла относятся к началу XVII в., когда был изобретён термометр, появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем. Вновь перед наукой встал вопрос: что же такое теплота? Наметились две противоположные точки зрения.
Согласно одной из них – так называемой вещественной теории тепла – теплота рассматривалась как особого рода невесомая «жидкость», способная перетекать от одного тела к другому. Такая жидкость была названа теплородом: чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела. Приверженцы другой точки зрения полагали, что теплота – это вид внутреннего движения частиц тела: чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура. Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках подобных представлений теорию тепла первоначально называли корпускулярной (от слова «корпускула» – частица). Этой теории придерживались И. Ньютон1, Р. Гук2, Р. Бойль3, Бернулли4 и др.
Большой вклад в развитие корпускулярной теории тепла сделал М.В. Ломоносов5, рассматривавший теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории он объяснил процессы плавления, испарения и теплопроводности, а также пришёл к выводу о существовании «наибольшей или последней степени холода», когда движение частичек вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова среди русских учёных уменьшилось число сторонников вещественной теории тепла.
И всё же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории тепла, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после экспериментального доказательства сохранения теплоты при теплообмене, что послужило основанием для вывода о сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости – теплорода. С помощью введённого понятия теплоёмкости тел удалось создать количественную теорию теплопроводности. Многие термины, введённые в то время, сохранились доныне.
В середине XIX в. была установлена связь между механической работой и теплотой. Подобно механической работе количество теплоты стало считаться мерой энергии. Нагревание тела связывалось с увеличением в нём не количества невесомой «жидкости», а энергии – принцип теплорода был вытеснен фундаментальным законом сохранения энергии.
Значительный вклад в развитие теории тепловых явлений и свойств макросистем внесли немецкий физик Р. Клаузиус6, английский физик-теоретик Дж. Максвелл7,
австрийский физик Л. Больцман8 и др.
Термодинамическое и статистическое описание свойств макросистем
Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй – молекулярной физики.
Термодинамика – это наука о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел и тепловые явления характеризуются параметрами, регистрируемыми приборами (термометром, манометром и др.), не реагирующими на воздействие отдельных молекул. Законы термодинамики описывают тепловые свойства тел, число молекул в которых огромно, – такие тела называются макросистемами. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т.п. – все это примеры макросистем. Тепловые свойства макросистем определяются термодинамическими параметрами (параметрами состояния): температурой, давлением и удельным объёмом (объёмом единицы массы). Эти параметры часто называются функциями состояния системы.
Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960) рекомендовано применять только две температурные шкалы – термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (°С). Принято считать, что 0 К (абсолютный нуль) недостижим, хотя сколь угодно близкое приближение к нему возможно.
К концу XIX в. была создана последовательная теория, описывающая свойства большой совокупности атомов и молекул, – молекулярно-кинетическая теория, или статистическая механика. Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул, которое анализируется статистическим методом, основанным на том, что свойства макросистемы в конечном результате определяются особенностями движения частиц и их усреднёнными кинетическими и динамическими характеристиками (скоростью, энергией, давлением и т.д.). Например, температура тела зависит от скорости беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, её удобно определять через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы: макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.
Основные положения молекулярно-кинетических представлений
В основе молекулярно-кинетических представлений о строении и свойствах макросистем лежат три основных положения:
1) любое тело – твёрдое, жидкое или газообразное – состоит из большого числа весьма малых частиц – молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы);
2) молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления движении;
3) интенсивность движения молекул, определяемая их скоростью, зависит от температуры вещества.
Тепловые свойства вещества зависят от его внутреннего состояния и строения. Например, нагревание кусочка парафина на несколько десятков градусов превращает его в жидкость, а подобное нагревание металлического стержня не оказывает на него заметного влияния. Такое различное действие нагревания связано с различием во внутреннем строении данных веществ, поэтому исследование тепловых явлений можно использовать для выяснения общей картины строения вещества. И наоборот, определённые представления о строении вещества помогают понять физическую сущность тепловых явлений, дать им глубокое наглядное истолкование.
Количественным воплощением молекулярно-кинетических представлений являются опытные газовые законы (законы Бойля – Мариотта9, Гей-Люссака10, Шарля11, Авогадро12, Дальтона13), уравнение Клапейрона14 – Менделеева15 (уравнение состояния), основное уравнение кинетической теории идеальных газов, закон Максвелла для распределения молекул и др.
Литература
1. Френкель Е.Н. Концепции современного естествознания: физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие. – Ростов н/Д: Феникс, 2014. – 246 с.
2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник. – Новосибирск: ООО «Изд-во ЮКЭА», 1997. – 832 с.
3. Интернет-ресурсы:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D0%BE-%D0%BA%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F (молекулярно-кинетическая теория)
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0 (статистическая физика)
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81 (тепловой процесс)
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0 (термодинамика)
1Сэр Исаа́к Нью́тон (или Ньюто́н) (англ. Isaac Newton, 25.12.1642 – 20.03.1727 по юлианскому календарю, действовавшему в Англии до 1752 года; или 4.01.1643 года – 31.03.1727 по григорианскому календарю) – английский физик, математик, механик и астроном, один из создателей классической физики. Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики. Разработал дифференциальное и интегральное исчисления, теорию цвета, заложил основы современной физической оптики, создал многие другие математические и физические теории.
2Ро́берт Гук (англ. Robert Hooke;Роберт Хук, 18 июля 1635, остров Уайт, Англия — 3 марта 1703, в Лондоне) — английский естествоиспытатель, учёный-энциклопедист. Гука смело можно назвать одним из отцов физики, в особенности экспериментальной, но и во многих других науках ему принадлежат зачастую одни из первых основополагающих работ и множество открытий.
3Роберт Бойль (англ. Robert Boyle; 25 января 1627 года — 30 декабря 1691 года) — англо-ирландский (англ.) русск.[ натурфилософ, физик, химик и богослов.
4Я́коб Берну́лли (нем. Jakob Bernoulli, 6 января 1655, Базель, — 16 августа 1705, там же) — швейцарский математик. Один из основателей теории вероятностей и математического анализа. Старший брат Иоганна Бернулли, совместно с ним положил начало вариационному исчислению. Доказал частный случай закона больших чисел — теорему Бернулли. Профессор математики Базельского университета (с 1687 года)
5Михаи́л Васи́льевич Ломоно́сов (1711–1765) – первый русский учёный-естествоиспытатель мирового значения, энциклопедист, химик и физик; он вошёл в науку как первый химик, который дал физической химии определение, весьма близкое к современному, и предначертал обширную программу физико-химических исследований; его молекулярно-кинетическая теория тепла во многом предвосхитила современное представление о строении материи и многие фундаментальные законы, в числе которых одно из начал термодинамики; заложил основы науки о стекле. Астроном, приборостроитель, географ, металлург, геолог, поэт, филолог, художник, историк и генеалог, поборник развития отечественного просвещения, науки и экономики. Разработал проект Московского университета, впоследствии названного в его честь. Открыл наличие атмосферы у планеты Венера. Статский советник, профессор химии (с 1745), действительный член Санкт-Петербургской Императорской и почётный член Королевской Шведской академий наук. Яркий пример «универсального человека».
6Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус (нем. Rudolf Julius Emanuel Clausius, имя при рожд. – Рудольф Готтлиб (нем. Rudolf Gottlieb); 2 января 1822, Кёслин (ныне – Кошалин) – 24 августа 1888, Бонн) — немецкий физик, механик и математик. Славу Клаузиусу создали его работы по теоретической термодинамике, до него бывшей в младенческом периоде развития; лишь благодаря трудам Клаузиуса, одновременно с работами Джоуля, Гельмгольца и Ренкина, термодинамика получила окончательную разработку.
7Джеймс Клерк Ма́ксвелл (англ. James Clerk Maxwell; 13.06.1831, Эдинбург, Шотландия – 5.11.1879, Кембридж, Англия) – британский физик, математик и механик. Шотландец по происхождению. Член Лондонского королевского общества (1861). Максвелл заложил основы современной классической электродинамики (уравнения Максвелла), ввёл в физику понятия тока смещения и электромагнитного поля, получил ряд следствий из своей теории (предсказание электромагнитных волн, электромагнитная природа света, давление света и другие). Один из основателей кинетической теории газов (установил распределение молекул газа по скоростям). Одним из первых ввёл в физику статистические представления, показал статистическую природу второго начала термодинамики («демон Максвелла»), получил ряд важных результатов в молекулярной физике и термодинамике (термодинамические соотношения Максвелла, правило Максвелла для фазового перехода жидкость – газ и другие). Пионер количественной теории цветов; автор трёхцветного принципа цветной фотографии. Среди других работ Максвелла – исследования по механике (фотоупругость, теорема Максвелла в теории упругости, работы в области теории устойчивости движения, анализ устойчивости колец Сатурна), оптике, математике. Он подготовил к публикации рукописи работ Генри Кавендиша, много внимания уделял популяризации науки, сконструировал ряд научных приборов.
8Лю́двиг Бо́льцман (нем. Ludwig Eduard Boltzmann, 20.02.1844, Вена, Австрийская империя – 5.09.1906, Дуино, Италия) – австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории. Член Австрийской академии наук (1895), член-корреспондент Петербургской академии наук (1899).
9Эдм Марио́тт (фр. Edme Mariotte; 1620, Дижон — 12 мая 1684, Париж) — аббат, французский физик XVII века, родился в Бургундии Важнейшие работы Мариотта собраны в его «Essais de physique» (4 выпуска, 1676—1681); из них наиболее известен второй выпуск: «De la nature de l’air» (1679), содержащий изложение известной зависимости между упругостью газа и его объёмом; тот же закон был найден на 17 лет раньше Бойлем и обычно его называют «законом Бойля-Мариотта».
10Жозе́ф Луи́ Гей-Люсса́к (фр. Joseph Louis Gay-Lussac; 6 декабря 1778, Сен-Леонар-де-Нобла — 9 мая 1850, Париж) — французский химик и физик, член Французской Академии наук (1806). Его имя внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.
11Жак Алекса́ндр Сеза́р Шарль (фр. Jacques Alexandre César Charles, 12 ноября 1746, Божанси, Луаре — 7 апреля 1823, Париж) – французский изобретатель и учёный. Известен как изобретатель наполняемого водородом, или другим газом легче воздуха, воздушного шара, получившего по имени изобретателя название шарльер, в противоположность монгольфьеру. Первый его воздушный шар, наполненный водородом, поднялся в Париже с Марсова поля 27 августа 1783 года; в том же году 3 декабря он, вместе с инженером, одним из изготовителей воздушного шара, Николя Луи Робертом (Nicolas-Louis Robert англ.), предпринял своё первое воздушное путешествие. Открыл названный его именем физический закон: при постоянном объёме давление идеального газа прямо пропорционально его абсолютной температуре.
12Амеде́о Авога́дро (итал. Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro di Quaregna e Cerreto; 9 августа 1776, Турин – 9 июля 1856, Турин) – итальянский учёный, и химик.
13Джон Дальтон (Долтон) (англ. John Dalton; 6.09.1766 – 27.07.1844) – английский провинциальный учитель-самоучка, химик, метеоролог и естествоиспытатель. Он стал одним из самых знаменитых и уважаемых учёных своего времени благодаря новаторским работам в разных областях знания. Так, он впервые (1794) провёл исследования и описал дефект зрения, которым страдал сам, – цветовую слепоту, позже названную в его честь дальтонизмом; открыл закон парциальных давлений (закон Дальтона) (1801), закон равномерного расширения газов при нагревании (1802), закон растворимости газов в жидкостях (закон Генри–Дальтона). Установил закон кратных отношений (1803), обнаружил явление полимеризации (на примере этилена и бутилена), ввёл понятие «атомный вес», первым рассчитал атомные веса (массы) ряда элементов и составил первую таблицу их относительных атомных масс, заложив тем самым основу атомной теории строения вещества.
14Бенуа́ Поль Эми́ль Клапейро́н (фр. Benoît Paul Émile Clapeyron; 26 февраля 1799, Париж – 28 января 1864, там же) – французский физик и инженер.
15Дми́трий Ива́нович Менделе́ев (27.01.[8.02] 1834, Тобольск – 20.01.[2.02] 1907, Санкт-Петербург) – русский учёный-энциклопедист: химик, физикохимик, физик, метролог, экономист, технолог, геолог, метеоролог, нефтяник, педагог, воздухоплаватель, приборостроитель. Профессор Санкт-Петербургского университета; член-корреспондент по разряду «физический» Императорской Санкт-Петербургской Академии наук. Среди наиболее известных открытий – периодический закон химических элементов, один из фундаментальных законов мироздания, неотъемлемый для всего естествознания. Автор классического труда «Основы химии».