блог

ВЪВЕДЕНИЕ

Трябва да предприемем пътуване до края на седемнадесети век и да обмислим как развитието на парната машина доведе до безпрецедентна технологична, икономическа и социална промяна. Любопитното е, че инженерите от онова време са усъвършенствали парните машини, правейки ги все по-ефективни, но никой не знае със сигурност какви физически принципи са дадени в този тип машини и дори, понятието топлина не беше много ясно . В средата на XIX век някои от тези въпроси намериха отговори, които днес се приемат като абсолютни истини благодарение на учени като Джеймс Прескот Джоул и Уилям Томпсън които някои автори наричат, донякъде поетично, като откриватели на енергията.

В следващите редове ще се задълбочим малко в това, което реших да нарека "кратка история на термодинамиката".

„ЗАГАДКАТА“ НА ТОПЛИНАТА

Но добре, Какво е топлина? Имаше две велики парадигми, които съжителстваха известно време. От една страна, имахме онези учени, които смятаха, че те са малките частици, които изграждат материята в движение и, от друга страна, бяха онези учени, които следваха теорията за електричеството (18 век), които си представяха топлината като „невероятна течност“ по начин, подобен на начина, по който тогава се виждаше електричеството. В края на 18 век обаче Джоузеф Блек, известен лекар, физик и химик в Шотландия, открива с помощта на новоизобретения термометър, че температурата на тялото може да бъде измерена, но не и топлината, която всъщност е допринесла за това (Това се случва, например, при топене на лед, тъй като доставената топлина е "скрита" до голяма степен, защото ако термометър е поставен до блок лед, който се нагрява, за да се стопи, температурата на споменатия блок остава 0 ° C).

През 1780г, Антонин-Лоран дьо Лавоазие и Пиер Симон Лаплас, те разработиха a леден калориметър . С този „артефакт“ те измерват топлината, доставяна от тялото. По-конкретно, те успяха да проверят, че фрагмент от мед и друг от дърво със същата маса и температура са разтопили различно количество лед.

В същото време американецът Бенджамин Томпсън (често цитиран като граф на Румфорд, поради благородната титла, която е носил), който е работил в Германия, той си помисли, че е открил какво е топлина . Той твърди, че топлината е движението на малките частици, които съставляват материята.

ТОПЛИННА И МЕХАНИЧНА РАБОТА

Години по-късно, вече напълно през деветнадесети век, Джеймс Прескот Джоул, Роден в Манчестър (град, който по това време беше световен еталон на технологично ниво), изумен от парната машина, той имаше възможността да изучи един от тях задълбочено, тъй като семейството му, отдадено на бирената индустрия, притежаваше такъв. След дълго изучаване на споменатата машина със сигурност му беше скучно. Ето защо той е привлечен от друг физически феномен: производството на механична работа чрез магнетизъм и електричество .

Майкъл Фарадей е изобретил електрически двигател през 1821 година което ще послужи като прототип, който да бъде подобрен в индустрията години по-късно. Джоул откри, че двигателят на Фарадей няма много общо, както от икономическа гледна точка, така и от гледна точка на производствената ефективност, в сравнение със съществуващата индустриална парна машина (тя консумира твърде много цинк и цинкова течност). Барабани). въпреки това , Джоул наблюдава странно явление: по време на работа на електродвигателя батерията и електрическите проводници претърпяха много силно нагряване . Това го накара да се запита дали това е причината за лошите характеристики на двигателя. Това съмнение накара Джоул да провежда експерименти в продължение на няколко месеца, основно състоящи се от преминаване на електрически ток през метални проводници с различна дължина, дебелина и материал. Едновременно с това той измерваше произведената топлина и стигна до много интересно заключение, което днес знаем като Закон на Джоул: „Произвежданата топлина се увеличава с съпротивлението на електрическия проводник, квадрата на интензитета на тока и продължителността на циркулацията му“.

Обаче друг учен, който тепърва започва, шотландецът Уилям Томсън, той беше привлечен от разследванията на Джоул. За разлика от Джоул, Томпсън е предшестван от известност поради позицията си на професор по естествени науки в Университета в Глазгоу (позиция, която той постигна на млада възраст от 22 години). Томсън винаги се е интересувал от историята на топлината, всъщност неговите изследвания дълго време са били фокусирани върху съставянето на ръкописни текстове от френски изследовател: Никола Леонард Сади Карно .

През 1822 г. Карно публикува теория за парната машина. Карно хареса идеята за сравнение на парната машина със „силата на водата“: точно както водата пада от определена височина, задвижвайки фрезово колело, в парната машина топлината ще тече от по-висока температура към по-малка, той също направи аналогия с количеството вода и топлина, тъй като, както общото количество вода е същото във водната мелница, топлината в парната машина също няма да претърпи промени. Карно посочи, че определено количество погълната топлина винаги трябва да се доставя отново след извършване на механична работа. . Тоест, теорията на Карно се основава на затворен термичен кръг, където топлината вече присъства и следователно не е необходимо да се произвежда.

Други учени от онова време биха стигнали до подобни заключения, включително Рудолф Класиус и Юлий Робърт фон Майер . Всъщност в случая с Класиус той вече беше публикувал нещо във връзка с това, което днес познаваме като „първи принцип“. Но никой нямаше „строгостта“ на Джоул по отношение на експериментирането или способността на Томсън да обединява различни теории.

ЕВОЛЮЦИЯ НА ТЕРМОДИНАМИКАТА

Но след този исторически преглед все още не знаем каква е истинската природа на топлината. Да се ​​върнем към историята тогава. Отначало термодинамиката се фокусира само върху величините, които могат да бъдат измерени, и връзките между тях . Е, в това отношение Джоул беше напреднал малко по-напред: той възприе идеята за графа на Ръмфорд, който каза, че топлината не е нищо повече от движение на частици вътре в тялото . Тази идея го преследва през целия му живот, но след толкова много изследвания и постижения, направени от други учени, му беше ясно: трябваше да е така . Няколко десетилетия по-късно учените ще докажат, че и Румфорд, и Джоул са били прави.

Джоул и Томсън създават дълбоко приятелство с науката като обща връзка . Те проведоха множество експерименти. Един от тях се състоеше в опитите да разбере какво се е случило с температурата на определен газ в контейнер, чрез модифициране на налягането върху него. Тези експерименти са подкрепени от британското правителство, което ги финансира до голяма степен. Те откриха това, което днес е известно Ефект на Джоул-Томсън. Това се отнася до процеса, при който температурата на системата намалява или се увеличава, като позволява на системата да се разширява свободно, като същевременно поддържа енталпията постоянна. Въпреки че този ефект в експериментите му беше много малък, той би имал голямо значение.

В края на 19-ти век Карл фон Линден прилага ефект на Джоул-Томсън многократно в експеримент, докато успява да доведе въздуха до толкова ниска температура, че той да стане течен . Тази процедура, която априори може да не привлече вниманието ни, се използва днес, за да преобразува различните газове в течност и да ги съхранява в резервоари или бутилки.

Приносът на многобройни учени, но особено тези на Томпсън и Джоул, е отговорен за факта, че днес изучаваме термодинамиката като дисциплина във физическите науки. За съжаление и двамата учени нямаха един и същ край. Томсън, триумфирал в академичната сфера и получил от кралицата титлата лорд Келвин, докато Джоул, прекара последните си години със скромна пенсия, която кралицата също му отпусна за своите открития.

ТЕРМОДИНАМИКА ДНЕС, ТЕКУЩО СЪСТОЯНИЕ И ПРЕДИЗВИКАТЕЛСТВА

През 2012 г. венецуелски инженер на име Луис Солорцано твърди, че е изобретил двигател с неограничена енергия, като по този начин нарушава втория закон на термодинамиката. Всъщност в експериментите си в лабораторията си в Маями той твърди, че вторият закон на термодинамиката работи в повечето системи, но не във всички, поради което не може да се нарече закон. И доказателството, което той предостави, беше негово профилна топлинна турбина . Без да се занимава с анализ на работата на двигателя, Солорцано заяви, че: кинетичната енергия, която двигателят му е в състояние да произведе, е 10 пъти по-голяма от енергията на вятъра, използвана за придвижване на лопатките, които го пускат в действие. Разследванията и отказът за патентоване на изобретението в САЩ обаче предполагат, че всичко е било измама, за да се опита да "пусне" споменатото устройство на индустриалния пазар.

Нещо подобно се случва с двигателя EmDrive, който НАСА наскоро разработи, но тази статия не е достатъчно дълга, за да обхване темата в дълбочина. В случая с този двигател обаче малко хора се осмеляват да твърдят, че НАСА се опитва да заблуди някого. Теории като квантовия вакуум или грешки в измерването са тези, които се прилагат за разбиране на работата на споменатото устройство.

През 2014 г. Ян Гизелер, Ромен Куадант, Кристоф Делаго, Лукас Новотни публикува статия, в която се твърди, че е открил, че наночастица, разположена в ултрапразна кухина, е била способна временно да наруши втория закон на термодинамиката, докато е затворена в лъч лазерна светлина . По-специално авторите заявяват, че уловената наночастица може да се охлади с помощта на параметрична система за обратна връзка. Когато обратната връзка е прекъсната, частицата се връща в равновесие (загрява). По време на този процес обаче температурата му следва произволен път със статистически колебания. Някои включват трансфер на топлина от студената наночастица към по-топлата среда. Статията изглежда напълно вярна и отваря вратите за разбиране на термодинамиката, която трябва да включва нови явления, може би някои от квантово естество? Времето в крайна сметка ще го обясни.

Обърнете внимание и на странна връзка между термодинамиката и Вселената: Прилагат ли се законите в него? През 70-те години физици Стивън Хокинг и Джейкъб Бекенщайн Те осъзнаха странно свойство на черните дупки: откриха, че ентропията на тези обекти е пропорционална на площта на хоризонта на събитията, а не на обема на вътрешността му. Тази статия, обяснена за неспециалисти в тази област в списание Scientific American, ни казва, че резултатът от заключенията на тези учени е бил много поразителен, тъй като като цяло ентропията на физическата система количествено определя степента ни на невежество относно нейната микроскопичност подробности. Следователно, в случай на черна дупка, би се очаквало ентропията да бъде пропорционална на целия обем, до който външен наблюдател няма достъп, а не на заобикалящата го повърхност. Всъщност това е случаят с всички обикновени термодинамични системи: в газ, например, ентропията винаги е пропорционална на обема, който заема, а не на повърхността, заобикаляща този обем. Защо това е различно в случай на черни дупки?

Ясно е, че термодинамиката, като дисциплина, свързана с физическите науки и химията, не може да се третира като нещо абсолютно изолирано от тях. Относителността, квантовата физика и физиката на частиците могат да отворят пътя към нова термодинамика. Това поражда множество въпроси, без отговор до ден днешен: изправени ли сме вече пред нова научна парадигма? Къде ще ни доведе? Какви икономически и социални последици ще бъдат извлечени от тази нова физика? ...

БИБЛИОГРАФИЯ

Брайсън, Бил (2006): „Кратка история на почти всичко“. Първо издание. Редакционен океан.

Typler, Paul A. & Mosca, Gene (2010): „Физика за наука и технологии“. Шесто издание. Редакционно връщане.

Списание Research and Science, специален брой (2016): „Frontiers of Quantum Physics“.

Автор на публикацията: Антонио Хосе Лобато Алехано (Студент по специалност Инженерна индустриална организация)