熱力学の第二法則。科学的発見の歴史と本質

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熱力学の第二法則。科学的発見の歴史と本質

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英国人のハンフリー・デイビー (1788-1829) は 23 歳で教授になり、多くの科学的および公的賞を受賞し、さらに彼の名前に「サー」という扱いを加え、ロンドン王立協会の会長に選出されました。

科学での長い人生の間に、彼は多くの成功した実験を行いました。 1753世紀の初めに、デイビーは氷点下の温度で摩擦によって氷を溶かすことに成功しました。その後、その経験はロシアの科学者ペトロフによって繰り返されました。独立戦争の勝利後にアメリカから移住し、バイエルン州のランフォード伯爵の称号を授与されたベンジャミン・トンプソン（1814-1798）は、960年に大砲の銃身の掘削に関する実験結果を発表しました。彼の実験の37つでは、ドリルがXNUMX回転すると、ドリルされたシリンダーの温度が摂氏XNUMX度上昇しました。

デイビーは、熱量の理論はラムフォードの実験と彼自身の実験の両方と両立しないという結論に達し、熱が体の粒子の振動運動を表すという熱の運動論を提唱しました。、彼はまた、粒子の回転運動を許可しました。ユングはまた、熱の振動理論に加わった。

それでも、カロリーの理論は支配的であり続けました. 検討中の期間に関連する熱の理論に関する 1822 つの最も基本的な研究、科学文献のゴールデンファンドに正当に登録された研究は、カロリーの概念に基づいています。これらの著作の最初のものであるフーリエの熱の分析理論は、XNUMX 年にパリで出版され、数理物理学の分野における彼の長年の研究の成果です。

別のエッセイは、有名なフランスの数学者ラザール・カルノーの息子、サディ・カルノーのものでした。ニコラ・レオナルド・サディ・カルノー（1796–1832）は、工科大学で学びました。 1814年以来、彼は軍事技術者として働いており、1819年以来、彼は参謀の副官を務めています。亡命中の共和党大臣の息子として、カルノーは昇進できず、1828年に引退した。彼はコレラで亡くなりました。 1824年に出版されたエッセイ「火の動機に関する瞑想」は、カルノーの唯一の完成した作品でした。

カルノーは次のように書いています。「熱は推進力に他なりません。むしろ、その形を変えた動きです。それは物体の粒子の動きです。推進力の破壊が発生する場所ではどこでも、熱は正確に比例する量で発生します。消えた駆動力の量逆に：常に熱の消失とともに駆動力があります。

したがって、一般的な立場を表現することができます。駆動力は、変化しない量で自然界に存在します。厳密に言えば、作成も破壊もされません。実際、それは形を変えます。つまり、ある種類の動きを引き起こし、次に別の種類の動きを引き起こしますが、消えることはありません。

熱の理論について私が持っているいくつかのアイデアによると、力の単位を作成するには、2,7単位の熱を消費する必要があります。

これらの線について、有名なフランスの科学者アンリ・ポアンカレは、1892年に「エネルギー保存の法則をより明確かつ正確に表現することは可能ですか？」と称賛しました。

エンジニアとして、カルノーは水エンジンの計算と建設に従事していました。しかし、その時までに蒸気機関がフランス中でますます使用されるようになったので、若いエンジニアは熱機関の理論を作成することに興味を持つようになりました。

当時、科学は熱が物質であるという見解に支配されていました。しかし、Sadi Carnot は、物理学で最も難しい問題の XNUMX つに答えることにしました。熱を仕事に変換できる条件は何ですか？水力エンジンの計算に精通していたカルノーは、熱を水に例えました。

彼は、水車が動くためには、水が高いところから低いところに落ちるという条件が必要であることをよく知っていました。カルノーは、熱が仕事をするためには高いところから低いところへ移動する必要があり、水の高低差は熱の温度差に対応すると示唆しました。

1824 年、Sadi Carnot はこの考えを表明しました。そのおかげで彼は歴史に名を残しました。熱機関で作業を行うには、温度差が必要であり、温度の異なる XNUMX つの熱源が必要です。カルノーの理論におけるこのステートメントは主要なものであり、カルノーの原理と呼ばれます。導き出した原理に基づいて、カルノーは理想的な熱機関のサイクルを思いつきました。

カルノーによれば、理想的な機械はピストンを備えた単純なシリンダーでした。シリンダーの底壁には理想的な熱伝導率があり、高温の表面、たとえば溶融鉛と固体鉛の混合物で満たされたヒーターの表面、または冷蔵庫の表面に配置できます。水と氷の混合物で。どちらの熱源も無限大です。

熱力学の第二法則は、第二の種類の永久機関は不可能であると述べています。このステートメントはカルノーの原理の言い換えであり、したがって、カルノーサイクルで動作する機械の効率は、サイクルで使用される物質に依存することはできません。

カルノーは、理想的な熱機関の動作サイクルを説明し、その最大効率を計算する方法を示しました。

これを行うには、このマシンで使用されている水蒸気（またはカルノーが指摘している他のクーラント）の最高温度と最低温度を知る必要があるだけです。これらの温度の差を高温値で割ると、機械の効率に等しくなります。温度は、絶対ケルビンスケールの度数で表す必要があります。この方程式は熱力学の第二法則と呼ばれ、すべての技術がそれに従います。

カルノーの公式による計算では、最初の熱機関の効率は 7 ～ 8 パーセントを超えることはできず、大気中への避けられない熱漏洩を考慮すると、結果として得られる値は 2 ～ 3 パーセントになるはずです。重要な成果として認められました...

カルノーが予測したように、蒸気とともに非常に迅速に、高温に加熱できるタービンにもガスが使用されました。タービン内の高温ガスの温度が800度ケルビン（摂氏527度）で、冷凍機がそれを300度ケルビンに下げる場合、理想的なカルノーサイクルの場合でも、機械の最大効率は62パーセント以上。必然的な熱損失は、いつものように、この数字の減少につながります。現代の発電所に設置されたタービンの最良の例は、35〜40パーセントの効率を持っています。

カルノーは、熱の特定の特徴を指摘しました。熱は、熱の「差」、つまり温度差の存在によってのみ機械的仕事を生み出します。この温度差が熱機関の効率を決定します。 1834年にポールクラペイロンはカルノーのアイデアを開発し、熱力学研究で非常に価値のあるグラフィック手法を導入しました。

1850年、ルドルフ・クラウジウス（1822-1888）の最初の作品「熱の原動力について」が出版され、カルノーとクラペイロンの後に、熱を仕事に変換するための条件についての質問が再び提起されました。量的平等のみを必要とするエネルギー保存の法則は、エネルギーの質的変換に条件を課しません。この作品では、クラウジウスは、熱の機械的理論の観点から、新しい観点からカルノーの理論を分析します。

カルノーの作品は最近、ウィリアムトムソン (ケルビン卿) (1824–1907) によって忘却の灰からよみがえりました。 PS Kudryavtsev は著書『History of Physics』の中で、機械の熱は再分配されるだけで消費されないというカルノーの見解は間違っていると認めています。しかし同時に彼は、熱を仕事に変換するための条件に関するカルノーの結論を放棄すると、乗り越えられない困難に遭遇することを指摘しています。 Thomson は、熱の理論には重大な再構築と追加の実験的研究が必要であると結論付けています。クラウジウスは彼の著作の中で、「熱が仕事を生み出すときは常に、受け取った仕事に比例した量の熱が消費される」という第 XNUMX 法則と共に、カルノーの立場を第 XNUMX 法則として保持すべきであると信じています。熱が暖かい物体から冷たい物体に移動するときに生成されます。クラウジウスによれば、この位置は熱の性質と一致しており、常に「それ自体で」熱い体から冷たい体への熱の移行があり、その逆はありません。

XNUMX番目の始まりとして、クラウジウスは、「熱は「それ自体で」冷たい体から暖かい体に移ることはできない」という仮定を提唱しています。「それ自体」という言葉は、熱が冷たい体から加熱された体にまったく伝達できないことを意味するものではありません（そうでなければ、冷凍機は不可能です）。それらは、対応する他の「代償的」変更なしに、そのようなプロセスはあり得ず、その唯一の結果は言及された移行であることを意味します。

この作業は、1851年にトムソンのXNUMXつの論文がほぼ同時に続いた。トムソンは、さまざまな形のエネルギーの変換の問題を定量的な観点から検討した結果、同じ定量値では、すべての種類のエネルギーが同じ程度に変換できるわけではないと指摘します。たとえば、熱を仕事に変換できない状況があります。トムソンの仮説は次のように述べています。

「周囲の物体の中で最も冷たい物体の温度よりも温度を下げることによって、無生物の物体を使って、物質の塊から機械的作用を得ることは不可能です。」

この立場を発展させて、トムソンは 1857 年の彼の研究で、エネルギーを熱に変換し、温度を均一化するという自然界の支配的な傾向についてのよく知られた結論に達しました。死。

1854年、クラウジウスは彼の記事「熱力学第二法則の修正された形式について」で、彼の仮説に基づいてカルノーの定理を証明し、それを一般化して、次の形式で第XNUMX法則の数学的表現を与えます。循環プロセスの不等式。

その後の作品では、クラウジウスは状態関数「エントロピー」を導入し、トムソンが見た傾向の数学的定式化を「宇宙のエントロピーは最大になる傾向がある」という位置の形で示しています。それで、物理学では、「世界の女王」（エネルギー）とともに、彼女の「影」（エントロピー）が現れました。 1865年の彼の仕事の終わりに、クラウジウス自身は次のように書いています。、つまり補正なしですが、反対に、つまり負の方向では、同時に発生する正の変換によって補正された場合にのみ発生する可能性があります。

この原理を宇宙全体に適用すると、ウィリアム・トムソンが最初に指摘した結論につながります。確かに、宇宙で起こっているすべての変化について、ある特定の方向の変化の状態が反対方向の変化よりも常に大きさが優勢である場合、「宇宙の一般的な状態は最初の方向にますます変化しなければなりません。したがって、常に限界状態に近づいている必要があります。

著者: サミン D.K.

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