Воскресенье, 21.01.2018, 01:51
Вы вошли как Гость | Группа "Гости" | RSS
Главная  |  Мой профиль |  Выход  Пользовательское соглашение | Правило публикации материалов  | 
Железо

 

Меню сайта

Реклама

Навигация
Технология металлов
и других конструкционных материалов
Черный хлеб металлургии
Защита нефтяных резервуаров от коррозии
Конструкция железнодорожного пути
и его содержание
Путь в космос
Метеоритные кратеры на Земле
В мире застывших звуков
Рентгенотехника
Наука и техника
Термодинамика
Ручная ковка
Юмор

Реклама

Форма входа

Статистика сайта
Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0

Сегодня были:



Главная » Статьи » Термодинамика

Адиабатические процессы

 Исследователи обнаружили переходы теплоты (скрытой теплоты), которые не сопровождались изменениями температуры тела. Другие опыты показали, что температура тела может измениться и без перехода теплоты. Подобный процесс был в середине 19 в. назван адиабатическим (греческое слово adiabatos - непереходящий). Теория теплорода столкнулась с большими, порой непреодолимыми трудностями при объяснении адиабатических процессов. Эта теория умерла в 40-х годах 19 столетия, а удовлетворительного объяснения не дала и, главное, не могла дать. 


Рис. 11. Воздушное огниво, изобретенное в 1803 г. Трубка А закрыта с одного конца и снабжена поршнем В. Когда поршень быстро вдавливают, воздух в трубке сильно нагревается. Трут С воспламеняется.

 Воздушное огниво. В 1803 г. французский рабочий самостоятельно изобрел воздушное огниво. Задолго до изобретения воздушного огнива во Франции оно было широко распространено в Юго-Восточной Азии. Воздушное огниво (рис. 11) - это трубка, закрытая с одного конца и снабженная поршнем. При быстром вдавливании поршня воздух в трубке нагревается и трут, прикрепленный к поршню, воспламеняется. В современном воздушном (газовом) огниве (рис. 12) удалось повысить температуру до 10 000' С и давление до 10 000 кгс см². Повышение температуры при вдавливании поршня в воздушном огниве нашло крупное техническое применение в двигателе Дизеля. 


Рис. 12. Современное газовое огниво. В стальной трубке А может перемещаться стальной поршень В. В трубке находится газ при атмосферном давлении. Когда затвор С открывают, сжатый воздух выходит из сосуда D и сообщает ускорение поршню В. Поршень приобретает скорость в несколько десятков метров в секунду и адиабатически сжимает газ в трубке А. В зависимости от давления воздуха в D газ в трубке нагревается до 8000 - 10 000' С, и давление его повышается до 7000 - 10 000 атм.

 Поршень передвигается в огниве быстро, и обменом теплотой между огнивом и окружающей средой можно пренебречь. Сжатие воздуха в огниве - адиабатический процесс. Теория теплорода должна была объяснить, почему при адиабатическом вдавливании поршня температура воздуха в огниве повышается. В чем были трудности объяснения? При адиабатическом сжатии воздуха количество теплоты в нем остается постоянным. Откуда же повышение температуры? Ответ: при сжатии воздуха теплота отделяется от материи подобно тому, как из пропитанной водой губки выжимается вода. Отделившаяся теплота и повышает температуру воздуха. 

 Еще до изобретения воздушного огнива в Европе было известно, что сжатый воздух, выходящий в атмосферу, охлаждается. Это объясняли тем, что воздух, расширяясь, всасывает теплоту и температура его понижается. Сторонники подобного объяснения предлагали и способ его проверки: отделение теплоты от материи при сжатии воздуха (газа) означало уменьшение теплоемкости (данной массы) газа при уменьшении объема; всасывание теплоты материей при расширении означало возрастание теплоемкости при увеличении объема.


Рис. 13. Опыт Гей-Люссака. В стеклянном двенадцатилитровом баллоне А находится воздух, из такого же баллона В воздух выкачан. С и D - чувствительные термометры. После открытия крана Е воздух переходит в баллон В, пока в обоих баллонах не устанавливается одинаковое давление. Температура в баллоне А понижается ровно на столько же, насколько она повышается в баллоне В. Если массы газа, находящиеся в обоих баллонах, смешать, то температура расширенного газа будет равна первоначальной температуре газа, имевшего меньший объем. Гей-Люссак был сторонником теории теплорода. Гей-Люссак и перепускал газ из одного баллона в другой, чтобы не потерять теплород с расширяющимся газом.

 Опыт Гей-Люссака. В 1807 г. Ж. Л. Гей-Люссак (1778 - 1850) экспериментально проверил (рис. 13) объяснение, предлагаемое теорией теплорода. Гей-Люссак и сам был ее сторонником. Опыт Гей-Люссака стал знаменит в истории термодинамики. Выдающийся французский математик А. Пуанкаре (1854 - 1912) спросил: «Что такое хороший опыт? Это такой опыт, который нас осведомляет больше, чем об отдельном факте; это такой опыт, который позволяет нам предвидеть, который позволяет нам обобщать». 

 Опыт Гей-Люссака - хороший опыт.

 Опыты с водородом и двуокисью углерода дали тот же результат. Температура газа в баллоне, куда входил газ, повышалась; температура газа в баллоне, из которого выходил газ, понижалась. Понижение температуры в одном баллоне равнялось ее повышению в другом. После смешения обеих масс газа в двух баллонах температура расширенного газа была равна первоначальной температуре газа, имевшего меньший объем. Результаты опытов Гей-Люссака противоречат объяснению, которое он проверял и хотел подтвердить. Но ни Гей-Люссак, ни два других выдающихся исследователя, в присутствии которых был проведен опыт, П. С. Лаплас и К. Л. Бертолле (1748 - 1822), не поняли смысла опыта. Все трое удивлялись, почему один и тот же газ, одинаково сжатый, расширяясь, охлаждается, если его выпускать прямо наружу, в атмосферу, и не охлаждается, если его выпускать в другой сосуд. 

 При выпуске газа в атмосферу он, расширяясь, совершает работу над источником работы, самой атмосферой. При перепуске газа из одного сосуда в другой нет никаких изменений в источнике работы: работа равна нулю. В опыте Гей-Люссака закрытой системой был весь газ в обоих сосудах. Границы системы проходили по оболочке обоих сосудов. Но эта неподвижная граница прерывала связь между закрытой системой и источником работы - атмосферой. Постановка опыта такова, что работа не может не равняться нулю. Прошло еще 35 лет, прежде чем Ю. Р. Майер (1814 - 1878) все это понял и правильно истолковал опыт Гей-Люссака. Но за эти годы провели и другие опыты. Одни из них говорили в пользу теории теплорода, другие - против нее. 

 Теплоемкость газов при постоянном давлении и при постоянном объеме. Блек, введя понятие о теплоемкости тела, молчаливо принимал, что при повышении температуры давление на тело остается постоянным. (Блек рассматривал жидкие и твердые тела.) Но при исследовании теплоемкости газов стало очевидным: теплоемкость газа зависит от того, повышается ли температура газа при постоянном его давлении или при постоянном его объеме. 

 В 1813 г. Ф. Деларош и Ж. Э. Берар впервые получили надежные значения теплоемкости газов при атмосферном давлении. Но, измеряя теплоемкость воздуха при повышенном давлении, они ошиблись и заключили, что теплоемкость данной массы воздуха увеличивается с увеличением его объема. Деларош и Берар с торжеством заявили: «Все знают, что при сжатии воздуха выделяется теплота. Это явление уже давно объяснялось предполагаемым изменением теплоемкости воздуха. Но это объяснение основывалось на простом предположении, не имевшем прямого подтверждения. Нам кажется, что полученные нами результаты устраняют всякие сомнения, которые можно выдвинуть против этого объяснения». Деларош и Берар искренне заблуждались.

 По уровню экспериментальной техники 19 в. измерения теплоемкости газа при постоянном объеме надо было проводить при малой плотности газа. Но тогда собственная теплоемкость газа составляет малую долю от теплоемкости сосуда, в котором заключен газ, и результат малонадежен. Поэтому для термодинамики удача, что в 1816 г. Лаплас вывел уравнение для скорости звука в газе. В это уравнение входит отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости (равной массы) газа при постоянном объеме. Вычисление теплоемкости газа при постоянном объеме стало возможным. 

 Повышение температуры твердых тел при ударе и трении. Рассмотрим явления, крайне неприятные для приверженцев теории теплорода. Повышение температуры твердого тела при ударе теория теплорода еще объясняла с тех же позиций, что повышение температуры при сжатии газа. Объяснение как будто бы подтверждали опыты Бертолле (1809). Он нашел; что температура металла, подвергнутого ударам, повышается только тогда, когда объем металла при этом уменьшается. После нескольких первых ударов, когда объем стал мало уменьшаться, повышение температуры тоже почти не наблюдалось. Но как же быть с повышением температуры твердого тела при трении? Трудно было допустить, что при трении объем тела мог уменьшиться. В это место Б. Румфорд (1753 - 1814) и направил свой удар. В 1798 г. Румфорд наблюдал повышение температуры при трении тупого сверла о дно полого металлического цилиндра. 

 В 20 в. историк науки напишет: «К 30-м годам прошлого столетия большинство сведущих ученых терзались сомнениями относительно природы теплоты... Теория теплорода объясняла почти все явления, за исключением теплоты, которая выделяется при трении... Теория, которая рассматривала теплоту как движение, превосходно объясняла выделение теплоты при трении и ударе. Но эта теория почти ничего больше не объясняла». 

 Муки ученых, связанные с нерешенной проблемой природы теплоты, еще увеличил другой вопрос. Его поставили паровые машины. 


Рис. 14. «Сцена у железной дороги». В. Г. Перов (1860 г.). Картина передает восторг и изумление людей, впервые увидевших на железной дороге паровоз.

 Паровые машины. Паровые машины были распространены в Англии еще во второй половине 18 в. После наполеоновских войн все больше паровых машин работало в Европе. В 1830 г. появились первые паровозы в Англии. К 1842 г. они были уже во всех европейских странах. Справедливо мнение, что паровозы повлияли на умы больше, чем паровые машины. «Паровая машина не навязчива. Чтобы увидеть паровую машину, надо захотеть ее увидеть. Паровоз же навязчив: он заставляет на себя смотреть. Паровозы немедленно стали предметом удивления и интереса для всех, кто увидел их в первый раз». 

 Никто не сомневался, что для работы паровой машины нужна теплота. Само старое название «огненная машина» говорило об этом. Но какова связь между работой и теплотой? Это и есть второй вопрос, который добавился к вопросу о природе теплоты. 

 В 1824 г. французский инженер Сади Карно (1796 - 1832) первым начал решать вопрос о связи между работой и теплотой. Он разобрал вопрос и гениально верно, и ошибочно. Ошибка была вызвана тем, что Карно принимал теорию теплорода. К концу своей короткой жизни он отказался от этой теории. Карно не допускал и мысли о производстве паровыми (тепловыми) машинами работы из ничего. Поэтому он должен был искать, откуда берется работа, что является ее эквивалентом. Карно был сведущ в расчетах водяных двигателей, они тогда преобладали во Франции. Он сравнивает падение воды и переход теплоты. Чтобы водяная мельница могла молоть зерно - работать, вода должна падать с высокого уровня на низкий. Чтобы теплота могла совершать работу, она тоже должна переходить с высокого уровня на низкий. Разность высот для воды соответствует разности температур для теплоты. Сравнение ошибочное, но идея о необходимости двух температур верна и гениальна. По теории Карно, для производства работы тепловой машиной необходимы, по крайней мере, два термостата с различными температурами. Суть теории Карно назвали впоследствии принципом Карно. Частный пример совершения объемной работы (глава 1) согласуется с этим принципом. На основе своего принципа Карно разобрал действие тепловых машин - в этом огромная его заслуга. Но обо всем этом в другой главе. В ней изложим, что случилось в термодинамике в 50-х годах 19 в. Но раньше рассказ о событиях 40-х годов 19 в.


Рис. 15. Если бы по какой-нибудь причине исчезли все описания, все чертежи паровой машины и из всех рисунков остался только этот, то он верно донес бы до людей основную мысль Карно: для действия тепловой машины нужны два источника теплоты с различными температурами - нагреватель (огонь) и холодильник (трубы).




Статьи по теме:
Категория: Термодинамика | Добавил: Talabas07 (23.02.2015)
Просмотров: 1970 | Теги: термодинамика | Рейтинг: 0.0/0


Ags-metalgroup © 2018