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DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS MÁS IMPORTANTES
La segunda ley de la termodinámica. Historia y esencia del descubrimiento científico.
Directorio / Los descubrimientos científicos más importantes. El inglés Humphrey Davy (1788-1829) se convirtió en profesor a la edad de 23 años, ganó muchos premios científicos y públicos y, además, agregó el tratamiento "señor" a su nombre, fue elegido presidente de la Royal Society de Londres. Durante su larga vida en la ciencia, realizó muchos experimentos exitosos. A principios del siglo XIX, Davy logró derretir hielo por fricción a una temperatura bajo cero. Posteriormente, la experiencia fue repetida por el científico ruso Petrov. Benjamin Thompson (1753-1814), que emigró de América tras la victoriosa conclusión de la Guerra de la Independencia y recibió el título de Conde Rumford en Baviera, publicó en 1798 los resultados de experimentos sobre la perforación de cañones. En uno de sus experimentos, a 960 revoluciones del taladro, la temperatura del cilindro perforado aumentó 37 grados centígrados. Davy llegó a la conclusión de que la teoría del calórico era incompatible tanto con los experimentos de Rumfoord como con los suyos propios, y presentó la teoría cinética del calor, según la cual el calor representa el movimiento oscilatorio de las partículas del cuerpo, y para los gases y líquidos , también permitió el movimiento de rotación de las partículas. Jung también se unió a la teoría vibratoria del calor. Y, sin embargo, la teoría del calórico siguió dominando. Los dos trabajos más fundamentales sobre la teoría del calor relacionados con el período en consideración, trabajos que han entrado legítimamente en el fondo dorado de la literatura científica, se basan en el concepto de calórico. El primero de estos trabajos, la Teoría analítica del calor de Fourier, se publicó en 1822 en París y es el resultado de muchos años de investigación en el campo de la física matemática. Otro ensayo perteneció al hijo del famoso matemático francés Lazar Carnot, Sadi Carnot. Nicolò Léonard Sadi Carnot (1796–1832) estudió en la Escuela Politécnica. Desde 1814 se desempeña como ingeniero militar y desde 1819 es teniente de Estado Mayor. Como hijo de un ministro republicano en el exilio, Carnot no pudo ser ascendido y jubilado en 1828. Murió de cólera. El ensayo Meditación sobre la fuerza motriz del fuego, publicado en 1824, fue la única obra completa de Carnot. Carnot escribe: “El calor no es más que una fuerza motriz, o más bien, un movimiento que ha cambiado de forma; es el movimiento de las partículas de los cuerpos; dondequiera que ocurre la destrucción de la fuerza motriz, surge calor en una cantidad exactamente proporcional a la cantidad de la fuerza impulsora desaparecida Inversamente: siempre con la desaparición del calor hay una fuerza impulsora. Así, es posible expresar una posición general: la fuerza motriz existe en la naturaleza en una cantidad invariable; es, estrictamente hablando, nunca creado, nunca destruido; de hecho, cambia de forma, es decir, provoca ahora un tipo de movimiento, luego otro, pero nunca desaparece. Según algunas ideas que tengo sobre la teoría del calor, la creación de una unidad de fuerza requiere el gasto de 2,7 unidades de calor. Al respecto de estas líneas, el célebre científico francés Henri Poincaré exclamaba con admiración en 1892: "¿Es posible expresar con mayor claridad y precisión la ley de conservación de la energía?" Como ingeniero, Carnot se dedicó al cálculo y construcción de motores de agua. Pero dado que en ese momento las máquinas de vapor se usaban cada vez más en toda Francia, el joven ingeniero se interesó en crear la teoría de las máquinas térmicas. En aquel entonces, la ciencia estaba dominada por la idea de que el calor es una sustancia. Pero Sadi Carnot decidió responder a una de las preguntas más difíciles de la física; ¿Bajo qué condiciones es posible convertir el calor en trabajo? Bien familiarizado con el cálculo de los motores de agua, Carnot comparó el calor con el agua. Sabía perfectamente que para que el molino de agua funcione se necesita una condición: el agua debe caer desde un nivel alto a uno bajo. Carnot sugirió que para que el calor funcione, también debe pasar de un nivel alto a uno bajo, y la diferencia de altura del agua corresponde a la diferencia de temperatura del calor. En 1824, Sadi Carnot expresó la idea, gracias a la cual pasó a la historia: para la producción de trabajo en una máquina térmica es necesaria una diferencia de temperatura, se necesitan dos fuentes de calor con temperaturas diferentes. Esta afirmación en la teoría de Carnot es la principal y se llama principio de Carnot. Basado en el principio que derivó, Carnot ideó el ciclo de una máquina térmica ideal, que ninguna máquina real puede superar. La máquina ideal, según Carnot, era un simple cilindro con un pistón. La pared inferior del cilindro tiene una conductividad térmica ideal, se puede colocar sobre una superficie caliente, por ejemplo, sobre la superficie de un calentador lleno de una mezcla de plomo fundido y sólido, o sobre la superficie de un refrigerador, por ejemplo, con una mezcla de agua y hielo. Ambas fuentes de calor son infinitamente grandes. La segunda ley de la termodinámica establece que una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo es imposible. Esta declaración es una paráfrasis del principio de Carnot y, por lo tanto, la eficiencia de una máquina que opera en un ciclo de Carnot no puede depender de la sustancia utilizada en el ciclo. Carnot describió el ciclo de operación de un motor térmico ideal, mostró cómo calcular su máxima eficiencia. Para ello, sólo es necesario conocer la temperatura máxima y mínima del vapor de agua (o de cualquier otro refrigerante, como apuntaba Carnot) que se utiliza en esta máquina. La diferencia entre estas temperaturas, dividida por el valor de la temperatura alta, es igual a la eficiencia de la máquina. Las temperaturas deben expresarse en grados de la escala Kelvin absoluta. Esta ecuación se llama la segunda ley de la termodinámica, y toda la tecnología la obedece. El cálculo según la fórmula de Carnot mostró que los primeros motores térmicos no podían tener una eficiencia superior al 7-8 por ciento, y si tenemos en cuenta la inevitable fuga de calor a la atmósfera, entonces el valor resultante del 2-3 por ciento debería ser reconocido como un logro significativo... Rápidamente, junto con el vapor, como predijo Carnot, también se utilizó gas en las turbinas, que pueden calentarse a alta temperatura. Si la temperatura del gas caliente en la turbina es de 800 grados Kelvin (527 grados Celsius), y el refrigerador la reduce a 300 grados Kelvin, entonces la eficiencia máxima de la máquina, incluso en el caso de un ciclo de Carnot ideal, no puede ser superior al 62 por ciento. Las inevitables pérdidas de calor provocan, como siempre, una disminución de esta cifra. Los mejores ejemplos de turbinas instaladas en centrales eléctricas modernas tienen una eficiencia del 35-40 por ciento. Carnot señaló una característica específica del calor. El calor crea trabajo mecánico solo con una "diferencia" térmica, es decir, la presencia de una diferencia de temperatura. Esta diferencia de temperatura determina la eficiencia de los motores térmicos. Paul Clapeyron en 1834 desarrolló las ideas de Carnot e introdujo un método gráfico muy valioso en los estudios termodinámicos. En 1850, se publicó el primer trabajo de Rudolf Clausius (1822-1888) "Sobre la fuerza motriz del calor", en el que nuevamente, después de Carnot y Clapeyron, se planteó la cuestión de las condiciones para convertir el calor en trabajo. El principio de conservación de la energía, que exige únicamente la igualdad cuantitativa, no impone ninguna condición para la transformación cualitativa de las energías. En este trabajo, Clausius analiza la teoría de Carnot desde un nuevo punto de vista, desde el punto de vista de la teoría mecánica del calor. El trabajo de Carnot había resucitado recientemente de las cenizas del olvido por William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907). "Thomson admite", escribe PS Kudryavtsev en su libro "Historia de la física", que la opinión de Carnot de que el calor en las máquinas solo se redistribuye, pero no se consume, es incorrecta". Pero al mismo tiempo, señala que si abandonamos las conclusiones de Carnot sobre las condiciones para la transformación del calor en trabajo, nos encontramos con dificultades insuperables. Thomson concluye que la teoría del calor requiere una reestructuración seria e investigación experimental adicional. En su obra, Clausius cree que junto con la primera ley, que dice "que en todos los casos en que el calor produce trabajo, se consume una cantidad de calor proporcional al trabajo recibido", se debe mantener la posición de Carnot como segunda ley, que el trabajo Se produce cuando el calor pasa de un cuerpo más caliente a uno más frío. Esta posición, según Clausius, es consistente con la naturaleza del calor, en la que siempre hay una transición de calor "por sí mismo" de un cuerpo caliente a uno frío, y no al revés. Como segundo comienzo, Clausius plantea el postulado: "El calor no puede pasar "por sí mismo" de un cuerpo más frío a uno más caliente". Las palabras "por sí mismo" no deben significar que el calor no se puede transferir en absoluto de un cuerpo frío a uno calentado (de lo contrario, las máquinas de refrigeración no serían posibles). Quieren decir que no puede haber tales procesos, cuyo único resultado sería la mencionada transición, sin que correspondan otros cambios "compensatorios". Este trabajo fue seguido casi simultáneamente en 1851 por los tres artículos de Thomson. Habiendo examinado la cuestión de la transformación de varias formas de energía desde un punto de vista cuantitativo, Thomson señala que con el mismo valor cuantitativo, no todos los tipos de energía son capaces de transformarse en el mismo grado. Por ejemplo, hay condiciones bajo las cuales la conversión de calor en trabajo es imposible. El postulado de Thomson dice: "Es imposible, por medio de un cuerpo inanimado, obtener acción mecánica de cualquier masa de materia enfriando su temperatura por debajo de la del más frío de los cuerpos circundantes". Desarrollando esta posición, Thomson en su trabajo de 1857 llega a la conocida conclusión sobre la tendencia dominante en la naturaleza a convertir la energía en calor y a igualar las temperaturas, lo que en última instancia conduce a una disminución de la eficiencia de todos los cuerpos a cero, al calor. muerte. En 1854, Clausius en su artículo "Sobre una forma modificada de la segunda ley de la teoría mecánica del calor" demuestra el teorema de Carnot, basado en su postulado, y, generalizándolo, da una expresión matemática de la segunda ley en forma de un desigualdad para procesos circulares. En trabajos posteriores, Clausius introduce la función de estado "entropía" y da una formulación matemática de la tendencia, vista por Thomson, en la forma de la posición "La entropía del universo tiende a un máximo". Entonces, en física, junto con la "reina del mundo" (energía), apareció su "sombra" (entropía). El propio Clausius al final de su obra en 1865 escribe: “La segunda ley, en la forma en que la di, dice que todas las transformaciones que tienen lugar en la naturaleza en una dirección determinada, que tomé como positiva, pueden ocurrir por sí mismas. , es decir, sin compensación, pero al contrario, es decir, en una dirección negativa, solo pueden ocurrir si son compensados por transformaciones positivas que ocurren simultáneamente con ellos. La aplicación de este principio a todo el universo lleva a la conclusión señalada por primera vez por William Thomson. De hecho, si a pesar de todos los cambios que tienen lugar en el Universo, los estados de transformación en una dirección particular prevalecen constantemente en magnitud sobre las transformaciones en la dirección opuesta, entonces "el estado general del Universo debe cambiar más y más en la primera dirección, y por lo tanto debe acercarse constantemente al estado límite. Autor: Samin D.K.
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