Основные концепції класичної фізики ХІХ століття

Основные концепції класичної фізики XIX века

Становление класичного естествознания

Социально-экономические і політичні умови розвитку науки XIX століття за кордоном були однаковими. І хоча ці умови який завжди сприяли розвитку науки, для ХІХ століття загалом характерний бурхливий ріст наукових і авторитет науки. У Франції під впливом технічної революції розвиваються переважно фізико-математичні і природні науки, керівним центром яких виступав Національний інститут. З огляду на техніко-економічній відсталості Німеччині ній було так само сприятливих, як мови у Франції, умов розвитку фізико-математичних і математично-природничої грамотності - перевагу віддавалася філософії, богослов’я і класичної філології. Наявність великої кількості університетів, територіальна близькість різних факультетів друг до друга сприяли активному взаимовлиянию наук. Децентралізація університетської науки сприяла появі значної частини тих видань. Успіхи у сфері техніки зумовили зростання практицизму, що призвело до приниженню ролі теоретичних досліджень, і посилення ролі прикладних. Особливістю науки в Англії була відсутність таких центрів, як Національний інститут у Франції й широкої мережі університетів, як у Німеччині. Тому наукових досліджень частіше проводили у одиночній тюремній камері, в ізольованих друг від друга областях науки. Але що це блискучі дослідження, результати яких із за відсутності необхідних проведення науково-дослідницьких і організацій нерідко розроблялися вченими інших країнах. Відомий історик Дж. Мерц, характеризуючи специфіку розвитку науки цього періоду, зазначав, що найбільше скоєних за формою і змісту праць, стали класичними всім часів, виконано, мабуть, мови у Франції; найбільше наукових робіт було, мабуть, виконано в Німеччини; найбільша частка ідей, які запліднювали науку протягом століття, належить, мабуть, Англії. [1] Загальною всім країн характерною рисою розвитку науки XIX століття можна вважати посилення її взаємодії з технікою і экономикой.

Физика ХІХ століття вважається класичною. Ньютоновский феноменологический метод стало головним інструмент пізнання природи. Закони класичної механіки та художні засоби математичного аналізу демонстрували свою ефективність. Фізичний експеримент, спираючись на вимірювальну техніку, забезпечував небувалу раніше точність. Фізичне знання в дедалі більшому мері ставало основою промислової технологій і техніки, стимулювало розвиток інших математично-природничої грамотності. У фізиці ізольовані раніше світло, електрику, магнетизм і теплота виявилися об'єднаними в електромагнітну теорію. І хоча природа тяжіння залишалася невідомою, його дії можна було розрахувати. Утвердилася концепція механістичного детермінізму Лапласа, що виходила з можливості однозначно визначити поведінка системи будь-якої миті часу, якщо відомі вихідні умови. Структура механіки як науки здавалася міцної, надійної і майже зовсім завершеною — тобто. не вкладаються в існуючі класичні канони феномени, із якими доводилося зіштовхуватися. здавалися цілком зрозумілими у майбутньому витонченішими умами з позицій класичної механіки. Складалося враження, що знання фізики близько до свого повного завершення — таку потужну силу демонстрував фундамент класичної фізики, як і раніше. що її окремих галузях гніздилися залишки старих метафізичних концепцій. Та поступово останні здають своїми панівними позиціями: сходять із арени теорія флюїдів, теорія теплорода тощо. Проникнення фізичних знань у промисловість, техніку призводить до появі прикладної фізики, а дослідження, у її ділянці значно розширювали фактичний матеріал, що вимагав теоретичної інтерпретації. Зрештою нездатність класичної теорії пояснити нові історичні факти наводить межі XIX і XX століть до наукової революції" у фізиці.

Волновая концепція світла О. Френеля

Сформировавшиеся в попереднє століття корпускулярна і хвилева концепція світла ХІХ столітті продовжили жорстоку боротьбу. Перша спиралася на авторитет Ньютона, друга — на авторитет Гука, Гюйгенса, Эйлера, Ломоносова. Прибічники корпускулярної концепції сподівалися пояснити з її позицій труднощі з явищ дифракції і інтерференції. Т. Юнг дав це пояснення з позицій хвильової концепції. З висловлених їм гіпотез про існування розрідженого і пружного світлоносного ефіру, що заповнює Всесвіт, про порушення хвилеподібних рухів у ефірі при світіння тіла, про залежності відчуття різних кольорів від різної частоти коливань, збуджуваних світлом на сітківці очі, про притягуванні усіма матеріальними тілами ефірної середовища, унаслідок чого остання накопичується в речовині цих тіл і малому відстані навколо них же в стані більшої щільності (але з більшої пружності), Юнг робить висновок у тому, що випромінюваний світло складається з хвилеподібних рухів світлоносного ефіру. Це дозволило все розмаїті квіти зводити до колебательным рухам ефіру, а відмінність квітів пояснити відмінностями частот коливань ефіру, і навіть сформулювати принцип інтерференції.

Прямолинейное поширення світла було б найбільш важливим аргументом на користь корпускулярної теорії. О. Френель робить новий суттєвий крок у розвитку хвильової теорії. (Ідея інтерференції взагалі виявилася настільки плідної, що з зустрічі з невідомим виглядом випромінювання завжди намагаються отримати інтерференцію. Навіть коли вдається, тим самим доводиться його хвильової характер.)[2].

Связав принцип Гюйгенса, (за яким молекули тіла, наведені у коливання падаючим світлом стають центрами випущення нових хвиль) з принципом інтерференції, (за яким налагающиеся хвилі, в протилежність корпускулярним променям, необов’язково посилюються, а можуть бути послаблюватися до знищення), Френель дав пояснення прямолінійному поширенню світла, показавши, що промені, поляризовані перпендикулярно друг до другу, не интерферируются. Досліди по дифракції світла йому належить. що дифракційні смуги з’являються внаслідок інтерференції променів. Принцип інтерференції дозволив Френелю закони відблиски і заломлення пояснити взаємним погашенням світлових коливань за всіма напрямами, крім тих. які задовольняють закону відображення. Френелю вдалося експериментально довести, що світлові промені можуть впливати друг на друга, послаблюватися і майже повністю погашатися у разі згодних коливань, що дозволило йому дати пояснення явища дифракції. Френель довів. що світло є поперечним хвилевим рухом. Він пояснив явище поляризації світла експериментальних дослідженнях відблиски і заломлення світла від поверхні прозорих речовин. Їм було встановлено, що відбиток плоско-поляризованного світла від поверхні прозорого тіла супроводжується поворотом площині поляризації у випадках, коли ця площину не збігаються з площиною падіння або перпендикулярна до неї. Розвиваючи ідеї Гюйгенса про поширення хвиль в кристалах. Френель заклав підвалини кристаллооптики.

Таким чином, боротьба хвильової і корпускулярної концепції світла першій половині ХІХ століття завершується перемогою хвильової концепції - було встановлено, що світло є поперечним хвилевим рухом. Вирішальним внеском в цю перемогу захоплюючою й стало пояснення з допомогою хвильової концепції явищ дифракції і інтерференції світла.

Концепции класичної електродинаміки

Классическая електродинаміка, що є теорію електромагнітних процесів у різних середовищах і вакуумі, охоплює величезну сукупність явищ, у яких головна роль належить взаємодіям між зарядженими частинками, здійснювані у вигляді електромагнітного поля. Розділом електродинаміки, що вивчає взаємодії і електричні поля що лежать електричних зарядів, є электростатика.

Успехи у сфері электростатики, що втілилися в встановленні кількісного закону електричних взаємодій, сприяли як нагромадженню експериментальних даних у сфері електростатичних явищ й удосконаленню електростатичних машин, а й створенню математичної теорії електроі магнитостатистических взаємодій. Відкриття Л. Гальвани «тваринного електрики », створення А. Вольта першого генератора електричного струму («вольтова стовпа »), здійснення першого описи замкнутої ланцюга електричного струму, відкриття В. В. Петровым електричної дуги, відкриття Г. Дэви і М. Фарадея хімічного дії електричного струму, теоретичні роботи з електроі магнитостатике С. Пуассона і Д. Грина були завершальними успіхами у сфері концепції електричної рідини, вважалася на початку ХІХ століття основою электростатики, аналогічно, як концепція магнітної рідини вважалася основою магнитостатики. Надалі головним напрямом у цій галузі стає электромагнитизм.

В 1820 р. Х. Эрстедом було відкрито магнітне дію електричного струму — навколо дроту з електричним струмом було знайдено магнітне полі. Отже, було доведено зв’язок електрики і магнетизму. А. Ампер, виходячи з єдності електричних і магнітних явищ, розробив першу теорію магнетизму, заклавши цим основи електродинаміки. Він розрізняв поняття електричного струму і електричного напруги. Основними поняттями його концепції були «електричний струм », «електрична ланцюг ». Під електричним струмом Ампер розумів безперестану що чергуються всередині провідника процеси з'єднання та поділу протилежно заряджених частинок електрики. (Найменування одиниці сили струму називається Ампера.) Їм обгрунтоване собі напрямок руху струму — напрям позитивного заряду електрики, і навіть встановлено закон механічного взаємодії двох струмів, поточних в малих відтинках провідників, що є на деякій відстані друг від друга. З цієї закону слід було. що паралельні провідники з струмами, поточними в одному напрямку, притягуються, а протилежних напрямах — відштовхуються. Із подання про магніті як сукупності електричних струмів, розміщених у площинах, перпендикулярних лінії, що з'єднує полюси магніту, випливав природний висновок у тому, що соленоид еквівалентний магніту. Революційний зміст цього висновку було очевидний: до пояснень явища магнетизму большє нє вимагалося наявності «магнітної рідини «- все явище магнетизму стало можливим зводити до электродинамическим взаимодействиям.

Следующим кроком у розвитку електродинаміки було відкриття М. Фарадеем явища електромагнітної індукції - порушення змінним магнітним полем електрорушійної сили у провідниках, — стала основою електротехніки. Важливим результатом його досліджень стало також обгрунтування те, що окремі види електрики тотожні за своєю природою, незалежно від джерела. Відкриття закону электролиза (химическое дію електричного струму прямо пропорційно кількості який струменіє електрики), відкриття обертання площині поляризації світла магнітному полі. Намагаючись пояснити явище електромагнітної індукції з урахуванням концепції дальнодействия, але ознайомившись із утрудненнями, він висловив припущення про здійсненні електромагнітних взаємодій по засобом електромагнітного поля, тобто. з урахуванням концепції близкодействия. Це початок формуванню концепції електромагнітного поля, оформлену Д.Максвеллом.

Электромагнитное полі Максвелла і эфир

Теория Ньютона успішно пояснила рух планет навколо Сонця під впливом сили тяжіння, але з змогла вірно пояснити рух електрично заряджених частинок, які взаємодіють друг з одним через порожній простір під впливом електричних і магнітних сил — модель атома нагадує модель Сонячної системи (у центрі атома перебуває позитивно заряджене ядро, навколо якого обертаються електрони). Разом з тим між гравітаційними і електромагнітними силами є відмінності: електричний заряд має лише ті частки, а гравітацією мають все форми речовини і; електричні сили бувають позитивними і негативними (причому частки з різними зарядом притягуються, і з однаковим — відштовхуються), а тяжіємо об'єкти лише притягуються; при малих масштабах (наприклад, в атомі) різко переважають електромагнітні сили, а на великих масштабах (наприклад, при масштабах Землі) — гравітаційні. Д. К. Максвелл вивів систему рівнянь, що описують взаємозв'язок руху заряджених частинок і поведінка електромагнітних сил. Центральним поняттям теорії Максвелла було поняття поля, яке позбавив труднощів. що з ньютоновским дією з відривом. У ХІХ в. полі описувалося за аналогією з що просувалася рідиною, тому вона характеризувалося з допомогою таких термінів, як «магнітний потік », «силові лінії «тощо. Опис ж поля як рідини передбачає середу, передавальну дію від однієї заряду до іншому. Таку гіпотетичну рідина назвали ефіром. Вважали, що ефір заповнює все порожній простір, залишаючись невидимим. Електромагнітні поля представляли як натяжений в ефірі. Заряджені частки породжували в ефірі хвилі натяжений. швидкість поширення яких, як й виявили розрахунки, виявилася близько 300 000 км/с. Світло почали розглядати як електромагнітних хвиль, які викликалися рухами заряджених частинок і який поширювалися у просторі як коливання ефіру. З відкриттям електромагнітних хвиль (радіохвилі, надвисокочастотні. теплові (інфрачервоні), ультрафіолетові, рентгенівські хвилі. гамма-випромінення) з’явилася можливість перевірки ньютоновской теорії простору й времени.

Если Фарадей здійснив новий підхід до вивчення електричних і магнітних явищ, створивши концепцію поля. яке описвывалось з допомогою силових ліній, то Максвелл. запровадивши точне поняття електромагнітного поля. сформулював його закони.

Из концепції Френеля про поперечних світлових хвиль неминуче витікали запитання, у якій саме середовищі поширюються хвилі, чому ні поздовжніх світлових хвиль, як впливає ефір на рухомі у ньому тіла, і т.д. Прозвучало безліч найрізноманітніших гіпотез щодо поперечности світлових хвиль (наприклад, гіпотеза абсолютно несжимаемого ефіру, гіпотеза нерухомого ефіру, гіпотеза ефіру, частково увлекаемого у себе рухливими у ньому тілами тощо.). Тобто. існування самого ефіру сумніву не піддавалося, бо поширення хвиль вимагало відповідної середовища.

Максвелл створює електромагнітну теорію світла, встановивши рівняння, объяснявшие всі відомі на той час факти з єдиною погляду. Вони встановлювалася зв’язок між змінами магнітного поля і виникненням електрорушійної сили. Свою головне завдання Максвелл вбачав в тому, аби навести електричні явища до області динаміки. Він виходив з те, що електричний струм не можна розглядати інакше як дії не розташування. а поширення які відбуваються у часі. Причина електричних струмів була їм названа електрорушійної силою.

Состояние електромагнітного поля була в теорії Максвелла задається напруженістю електричного поля і магнітної індукцією. Дослідивши зв’язок між електричними і магнітними полями. Максвелл речей, що змінюється електричне полі створює магнітне полі, що саме створює електричне полі, і кількісного аналізу цих співвідношень дійшов висновку про поширення цього процесу у просторі. Інакше кажучи, змінне електричне полі одній точці створює магнітне полі з сусідству із нею, що у своє чергу викликає електричне полі трохи далі. Оскільки це процес відбувається знову і знову, виникає що вагалося електромагнітне полі, безупинно расширяющееся в просторі. У цьому електричне чи магнітне полі поширюється незалежно від способів їх виникненню (чи це коливання зарядів чи поява магнітів). Обчислення швидкості поширення поля, виконані по даним про що спостерігається струмі, індукованим рухливими магнітами, чи з даним про утворюваному струмами магнітному полі, виявили. що вона дорівнює швидкості світла. І хоча Максвелл у обчисленнях використовував виміру електричних струмів і магнітних полів, тобто. явищ, начебто, які мають зі світлом нічого спільного. Він із тих вимірів зробив висновок щодо тому, що що вагалося електричне полі поширюється як хвиль зі швидкістю світла. Цим було встановлено зв’язок між оптикою і електрикою — областями, які раніше представляли не пов’язаними друг з одним. Оптика стала розділом электродинамики.

Таким чином, світло опинився чим іншим, як поширенням електромагнітних хвиль. Експериментальне їх виявлення Г. Герцем в 1880 р. означало перемогу електромагнітної концепції, хоча вона у свідомості учених утвердилася не відразу (концепції Ньютона знадобилося для свого затвердження половина століття, концепції Максвелла знадобилася при цьому чверть століття). Герц встановив, що електромагнітні хвилі часто мають здатність, аналогічні світловим: переломлення, відбиток, інтерференцію, дифракцию, поляризацію, таку ж швидкість поширення. (Оцінюючи результати своїх експериментів, Герц чудово розумів, що вони руйнують будь-яку теорію, вважає, що електричні сили поширюються у просторі миттєво.).

Концепция Максвелла стала новим кроком у розумінні природи електричних і магнітних явищ, який зумовив можливість появи радіо, радиолакации, телебачення та т.д. Вона відповіла питанням про природу світлових хвиль: світлова хвиля є хвиля електромагнітного поля, поширювана у просторі. Відкриття Максвелла прийнято порівнювати по ступеня важливості з відкриттям Ньютоном закону всесвітнього тяжіння. Якщо Ньютон впровадив поняття загального поля тяжіння, то Максвелл впровадив поняття електромагнітного поля і встановив закони його распространения.

Развитием концепції Максвелла було вимірювання П.Н. Лебедєвим тиску світла, пророкованого Максвеллом, і навіть використання електромагнітних хвиль для бездротового зв’язку А. С. Поповым і Г. Маркони.

Молекулярно-кинетическая концепція теплових процесів

Как зазначалося раніше, глибоке вивчення теплових процесів передбачає врахування молекулярного будівлі речовини. Розв’язання такої завдання виявилося сопряженным з допомогою статистичних методів. Включення теплових процесів до рамок механічної картини світу призвело до відкриттю статистичних законів, у яких зв’язок між фізичними величинами носять імовірнісний характер. У класичної статистичної механіці, на відміну динамічної, задаються не координати і імпульси частинок системи, а функція розподілу частинок по координатам і імпульсам, має сенс щільності ймовірності виявлення можна побачити значень координат і импульсов.

Господство концепції теплорода і відсутність необхідних експериментальних фактів першій половині ХІХ століття затримали розвиток молекулярно-кінетичної теорії речовини. Відкриття закону збереження енергії продемонструвало зв’язок теплоти з рухом невидимих частинок речовини, давши поштовх дослідженням, розпочатим Р. Бойлем, М. В. Ломоносовым, Д. Бернулли та інших. М. В. Ломоносов вперше висловив ідею тепловому обертальному русі атомів. До цієї ідеї прийшов і власним Г. Дэви. Д. Дальтон встановив, що атоми однієї й тієї ж хімічного елемента мають ідентичними властивостями і, запровадивши поняття атомного ваги хімічного елемента, дав йому визначення як стосунки маси одного атома цього елемента до масі одного атома водню. А. Авогадро встановив. що ідеальні гази (гази з зневажливо малими силами взаємодії між його частинками) при однакових певній температурі й тиску перебувають у одиниці обсягу однакові кількості молекул.

К середині ХІХ століття еквівалентність тепла й енергії визнало більшість учених, теплоту розглянула як молекулярне рух. Досліди Ж.Л.Гей-Люссака і Д. Джоуля підтвердили незалежність внутрішньої енергії ідеальних газів від своїх обсягів, було свідченням нікчемності діючих поміж їхніми молекулами сил. Р. Клаузиус до поступальному руху молекул додає обертальне і внутримолекулярное коливальне рух і дає пояснення закону Авогадро як слідству того. що молекули будь-яких газів мають однаковою «живої силою «поступального руху. Для цього етапу розвитку молекулярно-кінетичної теорії газів важливими обчислення середніх значень різних фізичних величин, як-от швидкість руху молекул, кількість їх сутичок в секунду, довжина вільного пробігу і т.д., визначення залежності тиску газу від кількості молекул в одиниці обсягу й середньої кінетичній енергії поступального руху молекул — усе це дало можливість виявити фізичний сенс температури як заходи середньої кінетичної енергії молекул.

Следующий етап у розвитку молекулярно-кінетичної теорії газів розпочався з робіт Д.Максвелла. Завдяки введенню поняття ймовірності було встановлено закон розподілу молекул за швидкостями (всяка система, спочатку що містить швидкі (гарячі) і повільні (холодні) молекули, має прийти такий стан, у якому більшість молекул рухається зі середніми швидкостями, стаючи трохи теплими), що й спричинило до створення статистичної механіки. У працях Л. Больцмана, побудував кінетичну теорію газів, дали статистичне обгрунтування другого початку термодинаміки — необоротність процесів була зі прагненням систем до найбільш потенційному стану. Виявлення статистичного сенсу другого початку термодинаміки мало важливого значення — виявилося, друге початок термодинаміки на відміну першого має кордону своєї застосовності: він можна застосувати до руху окремої молекули. Необоротність руху можна знайти поведінці лише величезної кількості молекул.

Классическая статистична механіка завершується роботами Д. Гиббса, який створив метод розрахунку функцій розподілу як для газу, а взагалі для будь-яких систем може термодинамічної рівноваги. Загальну ж це визнання статистичної механіки настане вже у XX столітті, коли, на основі молекулярно-кінетичної теорії буде побудовано кількісна теорія броунівського руху (з урахуванням дослідження останнього Ж. Перрен довів реальність існування молекул).

Таким чином, молекулярно-кинетическая концепція газу є сукупністю величезної кількості молекул, рухомих переважають у всіх напрямах, соударяющихся друг з одним і після кожного зіткнення змінюють напрям свого руху. У цьому газі існує середня швидкість руху молекул, тож має існувати й середня кінетична енергія молекули. Якщо це, то теплота є кінетична енергія молекулярного руху, і будь-який певної температурі відповідає певна кінетична енергія молекули. Молекулярно-кинетическая теорія речовини і здатні якісно і кількісно пояснює закони газів та інших речовин, встановлені експериментально. Броунівський рух, знайдене Р. Броуном, продемонструвало рух частинок в рідинах. Спостерігаючи через мікроскопи за рухом органічних і неорганічних речовин, у воді, Броун встановив, що й рух викликається потоками в рідини і її постійним випаром, а належить самим частинкам. Це спостереження виглядає суперечить всьому попередньому досвіду. Молекулярно-кинетическая теорія дозволила пояснити що виникла труднощі.

Суть полягає наступного. Частинки, рухомі у воді й спостережувані під мікроскопом, бомбардуються меншими частинками, у тому числі полягає вода. броунівський рух виникає через те, що це бомбардування через свою хаотичності і неоднаковості різнобічно, не то, можливо зрівноважена. Важливо, в такий спосіб, те, що бачимо під мікроскопом рух є наслідком руху, що у даний мікроскоп ненаблюдаемо: хаотичний роки поведінка великих частинок відбиває хаотичність поведінки молекул, із яких складається речовина. Отже, що кількісне вивчення броунівського руху дозволяє глибше поринути у кінетичну теорію речовини. Оскільки бомбардирующие молекули мають якісь є і швидкості, то вивчення броунівського руху дозволяє визначити масу молекулы.

Концепции класичної термодинамики

а) Виникнення термодинамики Тепловые явища від механічних і електромагнітних тим, що теплових явищ необоротні (тобто. теплові процеси спонтанно йдуть є лише одна напрямі) І що теплові процеси здійснюються в макроскопічних масштабах, тож використовувані для описи теплових процесів поняття і величини (температура, кількість теплоти тощо.) також мають лише макроскопічний сенс (про температурі, наприклад, можна говорити стосовно макроскопическому тілу, але до молекулі чи атома). Разом про те знання будівлі речовини необхідне розуміння законів теплових явлений.

Тело, аналізованих з термодинамической позиції, є нерухомим, не які мають механічної енергією. Але така тіло має внутрішньої енергією, що складається з енергій рухомих електронів і т.д. Це внутрішня енергія може збільшуватися чи зменшуватися. Передача енергії може здійснюватися через передачу від однієї тіла до іншого при скоєнні з них роботи і шляхом теплообміну. У другий випадок внутрішня енергія переходить з більш нагрітого тіла до менш нагрітому без скоєння роботи. Передану енергію називають кількістю теплоти, а передачу енергії - теплопередачей. У випадку обидва процесу можуть здійснюватися одночасно, коли тіло при втрати внутрішньої енергії може виконувати роботи й передавати теплоту іншому тілу. Розуміння цього вчені прийшли не відразу. Для XVIII і першій половині ХІХ ст. характерне розуміти теплоту як невагому рідина (вещество).

Представления швидше про теплоту як формі руху дрібних частинок матерії з’явилася ще XVII столітті. Цих поглядів дотримувалися Бекон, Декарт, Ньютон, Гук, Ломоносов. Проте й ХІХ столітті концепція теплорода поділялася багатьма вченими. Наприкінці XVIII століття Б. Томпсон (граф Румфорд) виявив виділення великої кількості тепла при высверливании каналу в гарматному стовбурі, що доказом те, що теплота є формою руху. Одержання теплоти з допомогою тертя підтвердили досліди Г. Дэви. Б. Томпсон показав, що з обмеженої кількості матерії то, можливо отримано необмежене кількість теплоты.

Возникновение власне термодинаміки починається з роботи С. Карно (термін «термодинаміка «запроваджено Б. Томпсоном). Досліджуючи практичну завдання отримання рухи з тепла стосовно паровим машинам, вона зрозуміла, що принцип отримання рухи з тепла необхідно розглядати як стосовно паровим машинам, але будь-яким мислимим тепловим машинам. Так було сформульовано загальний метод виконання завдання — термодинамічний, котрий заклав основу термодинаміки. Визначаючи коефіцієнт корисної дії теплових машин, Карно ввів свою знамениту цикл, який складається з цих двох ізотермічних (що відбуваються при постійної температурі) і двох адиабатических (без припливу і віддачі тепла) процесів. ККД циклу Карно не залежить від властивостей робочого тіла (пара, газу тощо.) й температурами теплоотдатчика і теплоприемника. ККД будь-який теплової машини не то, можливо за ті самі температурах теплоотдатчика і теплоприемника вище ККД циклу Карно.

Карно першим розкрив зв’язок теплоти з роботою. Але він виходив з концепції теплорода, що визнала теплоту незмінною по кількості субстанцією. Разом про те Карно вже зрозумів, робота паровий машини визначається загальним законом переходу тепла з більш високих до нижчим температур, тобто. і що може бути безмежного відтворення рушійної сили без витрат теплорода. Таким чином, робота представлялася як наслідок перепаду теплорода з вищого рівня на нижчі. Інакше висловлюючись, теплота може створювати роботу лише за наявності різниці температур. З власного змісту те й становить зміст другого початку термодинаміки. ККД теплової машини виявився залежним немає від робочого речовини, як від температури теплоотдатчика і теплоприемника. Усе це дозволило Карно дійти визнанню принципу неможливість створення вічного двигуна першого роду (тобто. безупинно діючої машини, яка, будучи якось запущеній, робила б покращило роботу без припливу ззовні).

Осознавая недоліки теорії теплорода, Карно наприкінці кінців цурається визнання теплоти незмінною за кількістю субстанцією і дає значення механічного еквівалента теплоти. Але публікація цього висновку служить було здійснено вже після визнання закону збереження енергії, а тому цей висновок не зіграв тієї ролі. яку міг зіграти. будучи опублікованим раніше. Але однак Карно заклав підвалини термодинаміки як розділу фізики, вивчає найбільш загальні властивості макроскопічних систем, що у стані термодинамічної рівноваги, і процеси переходу між тими станами. Термодинаміка почала розвиватися з урахуванням фундаментальних принципів чи почав, є узагальненням результатів численних спостережень і експериментів.

б) Перше початок термодинаміки (закон збереження енергії стосовно термодинамічним процесам) говорить: при повідомленні термодинамической системі (наприклад, пару в теплової машині) певного кількості теплоти у випадку відбувається за приращении внутрішньої енергії системи та вона робить роботу проти зовнішніх сил. Вище зазначалося, що першим, що поставили теплоту в зв’язку з роботою, був Карно, але з запізнілою публікації не справила вирішального на формування першого початку термодинаміки. Однак у тому, що теплота — не субстанція, а сила (енергія), одній з форм якої є теплота, причому ця сила, в залежність від умов, виступає як руху, електрики, світла, магнетизму, теплоти, які можуть опинитися перетворюватися один одного, існувала умах дослідників. Для перетворення цієї ідеї на ясне і точне поняття, потрібно було визначити загальну міру цієї сили. зробили, незалежно друг від друга, Р. Майер, Д. Джоуль і Г. Гельмгольц.

Р.Майер першим сформулював закон еквівалентності механічної праці та тепла й розрахував механічний еквівалент теплоти (1842 р.). Д. Джоуль експериментально підтвердив те, що теплота є формою енергії і визначив міру перетворення механічної роботи у теплоту. Г. Гельмгольц в 1847 р. математично обгрунтував закон збереження енергії, показавши його загальний характер. Підхід всіх трьох авторів закону збереження енергії був різним. Майєр відштовхувався більше загальних положень, що з аналогією між «живої силою «(енергією), яку набували тіла при своєму падінні відповідно до законом всесвітнього тяжіння, і теплотою, яку віддавали стислі гази. Джоуль породжувався експериментів з виявлення можливості використання електричного двигуна як практичного джерела енергії (це обставина і змушувало його замислитися над питанням про кількісної еквівалентності праці та теплоти). Г. Гельмгольц прийшов до відкриття закону збереження енергії, намагаючись застосувати концепцію руху Ньютона до руху значної частини тіл, які перебувають під впливом взаємного тяжіння. Його висновок у тому, сума сили та напруги (тобто. кінетичної і потенційної енергією) залишається постійної, є формулюванням закону збереження енергії у його найбільш загальної формі. Цього закону — найбільше відкриття ХІХ століття. Механічна робота, електрика і теплота — різноманітні форми енергії. Д. Бернал так охарактеризував його значення: «Він об'єднав багато наук і був у виняткової гармонії із тенденціями часу. Енергія стала універсальної валютою фізики — як кажуть, золотим стандартом змін, відбувалися у Всесвіті. Те, було встановлено, була твердий валютний курс обмінюватись між валютами різних видів енергії: між калоріями теплоти. килограмметрами праці та киловатт-часами електрики. Уся людська діяльність загалом — промисловість, транспорт, висвітлення та, в кінцевому підсумку, харчування і життя — розглядалася з погляду залежність від цієї однієї загального терміна — енергія. «[3].

в) Друге початок термодинаміки — закон зростання ентропії: в замкнутої (тобто. ізольованій в тепловому і механічному відношенні) системі ентропія або залишається незмінною (тоді як системі протікають оборотні, равновесные процеси), або зростає (при нерівноважних процесах) й у стані рівноваги сягає максимуму. Є й інші еквівалентні формулювання другого початку термодинаміки, належать різним ученим: неможливий перехід теплоти від тіла більш холодного до тіла, більш нагрітому, без якихось інших змін — у системі чи навколишньому середовищі (Р.Клаузиус); неможливо було створити періодично діючу, тобто. що здійснює будь-якої термодинамічний цикл, машину, всю роботу якої зводилася б до підняття деякого вантажу (механічної роботі) й відповідній охолодження теплового резервуара (В.Томсон, М. Планк); неможливо побудувати вічний двигун другого роду, тобто. теплову машину, котра внаслідок скоєння кругового процесу (циклу) повністю перетворює теплоту, отримувану від будь-якого одного «невичерпного «джерела (океану, атмосфери тощо.) в роботу (В.Оствальд).

В.Томсон (лорд Кельвін) сформулювавши принцип неможливість створення вічного двигуна другого роду, в 1852 року дійшов формуванню концепції «теплової смерті «всесвіту. Її суть розкривається у таких положеннях. По-перше, у Всесвіті існує тенденція до расточению механічної енергії По-друге відновлення механічної енергії у колишньому кількості може бути здійснено. По-третє, у майбутньому Земля очутиться в непридатному не для життя людини стані. Через 20 років Клаузиус дійшов до того ж висновку, сформулювавши друге початок термодинаміки як: ентропія всесвіту прагне максимуму. (Під ентропія розумів величину, яка була суму всіх перетворень, які мали з’явитися, аби навести систему у її нинішній стан.).

Суть у цьому, що у замкнутої системі ентропія може лише зростати чи залишатися постійної. Інакше висловлюючись, у будь-якій ізольованій системі теплові процеси однонаправлены, що призводить до збільшення ентропії. Варто ентропії досягти максимуму, як теплові процеси у системі припиняються, що означає прийняття усіма тілами системи однаковою температури і перетворення всіх форм енергії в теплову. Наступ стану термодинамічної рівноваги призводить до припинення всіх макропроцесів, як і означає стан «теплової смерті «.

Для поширення другого початку термодинаміки на інші незворотні процеси було запроваджено поняття ентропії як заходи безладдя. Для ізольованих систем (не пропускають тепло) друге початок термодинаміки можна сформулювати так: ентропія системи будь-коли зменшується. Система, яка перебуває у стані рівноваги, має максимальну ентропію.

Понятие ентропії пов’язують і з визначенням інформації. Система, яка перебуває у упорядкованому стані, містить багато інформації, а неупорядкована система містить мало інформації. Приміром, густішим і складнішим містить багато інформації, а випадкова збірка літер несе інформації. Інформацію тому й ототожнюють із від'ємною ентропія (чи негэнтропией). При зростанні ентропії інформація уменьшается.

Среди безлічі висунутих проти виведення заперечень найвідомішим було заперечення Максвелла. Він виходив речей, друге початок має обмежену область примерения. Максвелл вважав друге початок термодинаміки справедливим, коли ми маємо працювати з тілами, з великий масою, коли немає можливості розрізняти у тих масах окремі молекули і із нею. Запропонував він проробити уявний експеримент — уявити істота, здатне ознайомитися з кожної молекулою у всіх її рухах, і поділити будь-якої посудину на частини перегородкою з маленькою отвором у ній. Це істота (що його «за демона Максвелла »), здатне розрізняти окремі молекули, буде поперемінно то відкривати, то закривати отвір в такий спосіб, щоб швидко рухомі молекули могли переходити до іншої половину. І тут «демон Максвелла «без витрати роботи міг би підвищити температуру у першій половині судини й знизити на другий всупереч другому початку термодинамики.

Данный процес асиметричний у часі - без зовнішнього втручання вона може стати оборотним. Тобто. марно очікувати у тому разі, що гази повернуться до початкове становище. Можна сміливо сказати, що у природі порядок прагне поступитись місцем безладдя. Однак можна говорити привести приклади, що як нібито суперечать даному принципу зростання ентропії. Так, живі системи свого розвитку ускладнюються, що з рідини кристали є упорядоченнее цієї рідини тощо. Проте повна ентропія системи разом із довкіллям зростає, бо біологічні процеси здійснюються з допомогою ентропії сонячного випромінювання та т.д.

Л.Больцман, зробивши спробу пояснити, чому порядок поступається місце безладдя, сформулював H-теорему, що є результатом поєднання двох підходів до наближенню газу до стану рівноваги — макроскопічного (законів ньютоновской механіки, що описують рух молекул) і мікроскопічного (що виходить із уявлення газу як прагне до безладного перерозподілу). З теореми дотримувався висновок у тому, що ентропія може лише зростати — таке поведінка термодинамічних систем у времени.

Однако з Н-теоремой Больцмана виявився пов’язаним парадокс, навколо якого виникла дискусія. Суть у цьому, що з допомогою однієї заснованої на механіці Ньютона молекулярної теорії довести постійне зростання ентропії замкнутої системи не можна, оскільки ньютоновская механіка симетрична у часі - будь-який рух атомів, заснований на законах ньютоновской механіки. то, можливо представлено як що у зворотному напрямі. Т.к. асиметрію не можна вивести ринок із симетрії, то теорема Больцмана (а її основі лише одним механіки Ньютона стверджує, що зростання ентропії асиметричного у часі) може бути вірної - як доказ потрібно було до законів механіки й ті асиметрію. Отож суто механічна інтерпретація закону зростання ентропії опинялася непрацездатною. А ще першим звернув увагу Й. Лошмидт і Э.Цермело.

При виведення Н-теоремы Больцман крім механіки Ньютона спирався на припущення щодо молекулярному хаосі, яке, проте, який завжди вірно. За теорією ймовірності, можливість, що молекули газу згаданому раніше посудині рухатимуться не хаотично, а кинуться на якусь одну його половину, перестав бути нульової, хоч і зникаюче мала. Тому можна сказати, що у принципі може бути випадки, коли ентропія убуває, а хаотичне рух молекул буде упорядочиваться. Отже, Н-теорема Больцмана описує механізм переходу газу зі стану з низькою ентропія в рівноважний, але з пояснює, чому це відбувається у тому самому напрямку у часі, а саме з минулого у майбутнє. Оскільки це, то больцмановская модель позбавляється тимчасової асимметрии.

Но тимчасова асиметрія — це реальна факт. Упорядкованість реальних систем може постати з допомогою зовнішніх впливів, а не було за рахунок внутрішніх безладних флуктуацій (будинок, наприклад, зводиться будівельниками, а чи не внаслідок внутрішніх хаотичних рухів). Реально все системи формуються під впливом довкілля. Для розрізнення реальних систем, які, отделясь від оточуючої Всесвіту, майже остаточно дійшли стан із низькою ентропія, і больцмановских постійно ізольованих від довкілля систем, Г. Рейхенбах назвав перші розгалуженим структурами — в їх ієрархії упорядкованість кожної залежить від попередньої. Ветвящаяся структура поводиться асиметрично у часі через прихованого впливу ззовні. При цьому причина асиметрії - над самої системі, а вплив. У світі больцмановских систем нет.

Асимметричные у часі процеси є і в областях поза термодинаміки. Прикладом таких процесів можуть бути хвилі (зокрема радіохвилі). Так, радіохвилі поширюються від передавача в навколишнє простір, але з навпаки. Аналогічно ситуація з поширенням хвиль від кинутого у ставок каменю. Хвилі, що від джерела (припустимо, кинутого у ставок каменю) врізнобіч, називають запаздывающими. У принципі так можливі й випереджаючі хвилі, які можуть опинитися виникнути тоді, коли обурення спочатку проходять через найвіддаленіші точку, а потім поділяють думку місці поширення джерела хвилі. Ізольований ставок є симетрична у часі система, як і больцмановский посудину з газом. Кинутий до нього камінь створює ветвящуюся структуру. Радіохвиля ж назад не повернеться, бо поширюється в безмежному просторі. Тут ми маємо справу з необмеженої диссипацией (розсіюванням) хвиль і частинок, являющей собою іще одна тип необоротною тимчасової асиметрії. Отже, освіту ветвящихся структур і необоротна асиметрія нескінченного хвильового руху роблять необхідним облік великомасштабних властивостей Вселенной.

Таким чином, дискусія щодо другого початку термодинаміки призвела до висновку, що мікросвіту ситуацію з «за демона Максвелла «роблять нездійсненною, але з тим вона сприяла з’ясуванню те, що друге початок термодинаміки є статистическим.

г) Третє початок термодинаміки (теорема Нернста): ентропія фізичної системи при прагненні температури до нуля не залежить від параметрів системи та залишається незмінною. Інші формулювання теореми: при прагненні температури до нуля зміни стану системи не змінюють її ентропії; з допомогою кінцевої послідовності термодинамічних процесів не можна досягти температури абсолютного нуля. М. Планк доповнив теорему гіпотезою, за якою ентропія всіх тіл при абсолютному нулі температури дорівнює нулю. З теореми випливають важливі слідства про властивості речовин при високих температурах, близьких до нуля: набувають нульовий значення удільні теплоємності за постійних об'ємі та тиску, термічний коефіцієнт розширення й тиску. З іншого боку, з теореми слід недосяжність абсолютного нуля температури при кінцевої послідовності термодинамічних процессов.

Если перше початок термодинаміки стверджує, що теплота є форма енергії, яка вимірюється механічної мірою, і неспроможність вічного двигуна першого роду, то друге початок термодинаміки оголошує неможливим створення вічного двигуна другого роду. Перше початок запровадило функцію стану — енергію, друге початок запровадило функцію стану — ентропію. Якщо енергія закритою системи залишається незмінною, то ентропія цією системою, що складається з энтропий її частин, при кожному зміні збільшується — зменшення ентропії вважається суперечить законам природи. Співіснування таких незалежних друг від друга функцій стану, як енергія і ентропія, дає можливість робити вислови щодо тепловому поведінці тіл з урахуванням математичного аналізу. Оскільки обидві функції стану обчислювалися лише з відношення до довільно обраному початковому стану, визначення енергії і ентропії були досконалими. Третє початок термодинаміки дозволило усунути цей недолік. Важливе значення у розвиток термодинаміки мали встановлені Ж.Л.Гей-Люссаком закони — закон теплового розширення й закон об'ємних відносин. Б. Клапейрон встановив залежність між фізичними величинами, визначальними стан ідеального газу (тиском, обсягом і температурою), узагальнену Д. И. Менделеевым.

Таким чином, концепції класичної Термодинаміки описують стану теплового рівноваги і равновесные (які відбуваються нескінченно повільно, тому час у основні рівняння не входить) процеси. Термодинаміка нерівноважних процесів виникає пізніше — в 30-х рр. сучасності. У ньому стан системи визначається через щільність, тиск, температуру та інші локальні термодинамические параметри, що розглядаються як функції координат і часу. Рівняння нерівновагової термодинаміки описують стан системи у времени.

Возникновение передумов атомної та ядерної физики

Концепции атомної та ядерної фізики будуть розгортатися в XX столітті, але події, дали їм поштовх, сталися наприкінці ХІХ століття. На стику XIX і ХХ ст. у науці здійснилися відкриття, які змусили заколиватися сформовану картину світу. Уявленням, заснованим на класичної механіці, судилося поступитись місцем нової, що залишається досі багато в чому завершеною картині світу. Події, які поклали край початок процесу зміни картини світу, пов’язані з відкриттям рентгенівських променів і радіоактивності (1895−1896 рр.), відкриттям електрона (1897 р.), структури кристала (1912 р.), нейтрона (1932 р.), розподілу ядра атома (1938 р.) тощо., ні з теоретичними роботами: квантової теорією М. Планка (1900 р.), спеціальної теорією відносності А. Эйнштейна (1905 р.), атомної теорією Резерфорда — Н. Бора (1913 р.), загальної теорією відносності А. Эйнштейна (1916 р.), хвильової механіки Л. де Бройля і Э. Шредингера (1923;1926 рр.) тощо. Бо у основу викладу розвитку фізичних концепцій було покладено і хронологічний принцип, те й наукові відкриття, що відбулися кінці ХІХ століття (хоча головні події, наступні по них, відбуватимуться вже у XX столітті), доцільно розглянути у руслі розвитку фізики кінця XIX столетия.

Конец ХІХ століття демонстрував наявність теорії, задовольняє практичним потребам. Явища електромагнетизму використовувались у освітлювальних і силових пристроях. Термодинамические концепції увінчалися створенням двигуна внутрішнього згоряння хімічних установок, Электромагнитная теорія викликала до життя радіо. Ці досягнення були практичної реалізацією ствердились наукових знань, яких важко було очікувати чогось принципово нового. Отож радикальні зрушення слід було очікувати у тих галузях фізики, які досі перебувають у тіні й боротися у яких спостерігалися якісь явища, не укладывавшиеся в існуючі фізичні концепції. Область фізики, що займалася вивченням електричних розрядів, була виражена такий. Проте які проводилися з електричними розрядами в вакуумі досліди сприяли цікавим результатам, а електротехнічна промисловість виявила потреба у вдосконаленні вакуумної техніки. Усе це посилило інтерес до досліджень в цій галузі физики.

Первым наслідком посилення цього інтересу було відкриття У. Круксом катодних променів, що він назвав променистої формою матерії. Д. Стоней назвав катодні промені електронами, Ж. Перрен виявив вони негативний заряд, а Д. Томсон поміряв їх швидкість. Таким кроком було скоєно непередбачене відкриття К. Рентгеном — виявлення Х-променів (отримали назва рентгенівських), що випливали з катодно-лучевой розрядної трубки. Це відкриття, крім практичних перспектив, мало важливого значення й інших областей фізики. Д. Томсон встановив, що українці електрони, які ударялися про якесь речовина, породжували рентгенівські промені, а й останні під час удару про речовина породжують електрони. Факт, що електрони могли вибиратиметься з різних речовин, б свідчило про приналежності їх до електричної матерії. Оскільки вона складалася з окремих частинок (атомів), це спонукало Д. Томсона звернутися до розкриття внутрішньої структури атома. Існування електрона — зарядженої частки з безліччю. меншою маси атома і який з’являється з речовини за певних умов, наводила на думка, що ця частка є структурним елементом атома. Якщо ж атом електрично нейтральний, маєш бути структурний елемент і з позитивним зарядом.

Первая модель атома, запропонована В. Томсоном і далі Д. Томсоном, включала кулясте хмару позитивного заряду, у якому перебувають електрони, які працюють у цій хмарі концентричними кільцями. Ця модель проіснувала недовго. Але це був першим крок у розкритті структури атома. Наступні моделі атома виникли в ХХІ столітті (модель Е. Резерфорда і модель Н. Бора).

Открытие рентгенівських променів було випадковим. Відкриття радіоактивності, подальше за відкриттям рентгенівських променів, також виявилося випадковим. А. Беккерель намагався встановити, не випромінюються подібні промені іншими тілами. Із різноманітних речовин, яким він мав, Бекерель випадково обрав солі урану. промені, які виходять із урану, були радіоактивними, причому виходили без будь-яких пристроїв — вони испускались самим радіоактивним речовиною. П'єр і Марія Кюрі виділили ще більше сильні радіоактивні елементи — полоній і радій. Е. Резерфорд, вивчаючи характер радіоактивного випромінювання, відкриває альфа-промені і бета-промені пояснює їх природу. М. Планк встановив. що атоми віддають енергію не безупинно, а порціями, тобто. існування граничного кількості дії, контролювало кількісно все енергетичні обміни в атомних системах (стала Планка — h, рівна 6,6×10−27 эрг/сек. К. Лоренц створює електронну теорію, синтезировавшую ідеї теорії поля атомної теорії. І хоча спочатку не вживає терміна «електрон », а говорить про позитивно і негативно заряджених частинках речовини. відкриття радіоактивності і перетворення атомів похитнуло фізичні і хімічні уявлення ХІХ століття. Це стосувалося закону незмінних елементів, встановленого Лавуазьє. Мимовільний радіоактивний розпад без досвідчених даних про «синтез нових атомів міг витлумачуватися як односторонній процес поступового руйнації речовини у Всесвіті. Відкриття першої субатомной частки — електрона — виглядало аргументом на користь залишених уявлень про електричної субстанції. Здавалося, що було поставлений під і закон збереження енергії. Виникла ситуація засвідчувала тому, нові експериментальні факти не укладаються у що існувала фізичну парадигму. Отже, позначилися витоки революційних змін в фізичних концепціях. Перший етап цих перетворень розпочався лише наприкінці ХІХ століття. Наступні етапи розгорталися вже у XX веке.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із сайту internet.

[1] Цит. по: ДорфманЯ.Г. Світова історія фізики з на початку ХІХ незалежності до середини XX ст. М., 1979. С. 8.

[2] Лауе М. Історія Физики.М., 1956.С.46.

[3] Бернал Дж. Наука історія общества.М., 1956.С.329.