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DÉCOUVERTES SCIENTIFIQUES LES PLUS IMPORTANTES
La deuxième loi de la thermodynamique. Histoire et essence de la découverte scientifique
Annuaire / Les découvertes scientifiques les plus importantes L'Anglais Humphrey Davy (1788-1829) devint professeur à l'âge de 23 ans, remporta de nombreux prix scientifiques et publics, et d'ailleurs, il ajouta le traitement "sir" à son nom, fut élu président de la Royal Society of London. Au cours de sa longue vie scientifique, il a mené de nombreuses expériences réussies. Au début du XIXe siècle, Davy réussit à faire fondre la glace par frottement à une température inférieure à zéro. Plus tard, l'expérience a été répétée par le scientifique russe Petrov. Benjamin Thompson (1753-1814), qui a émigré d'Amérique après la conclusion victorieuse de la guerre d'indépendance et a reçu le titre de comte Rumford en Bavière, a publié en 1798 les résultats d'expériences sur le forage de canons de canon. Dans l'une de ses expériences, à 960 tours du foret, la température du cylindre foré a augmenté de 37 degrés Celsius. Davy est arrivé à la conclusion que la théorie du calorique était incompatible à la fois avec les expériences de Rumfoord et avec les siennes, et a proposé la théorie cinétique de la chaleur, selon laquelle la chaleur représente le mouvement oscillatoire des particules du corps, et pour les gaz et les liquides , il a également permis le mouvement de rotation des particules. Jung a également rejoint la théorie vibrationnelle de la chaleur. Et pourtant la théorie du calorique continuait à dominer. Les deux travaux les plus fondamentaux sur la théorie de la chaleur relatifs à la période considérée, travaux entrés à juste titre dans le fonds d'or de la littérature scientifique, reposent sur le concept de calorique. Le premier de ces ouvrages, la Théorie analytique de la chaleur de Fourier, est publié en 1822 à Paris et est le résultat de ses nombreuses années de recherche dans le domaine de la physique mathématique. Un autre essai appartenait au fils du célèbre mathématicien français Lazar Carnot, Sadi Carnot. Nicolò Léonard Sadi Carnot (1796-1832) étudie à l'École polytechnique. Depuis 1814, il travaille comme ingénieur militaire et depuis 1819, il est lieutenant à l'état-major. Fils d'un ministre républicain en exil, Carnot ne put être promu et mis à la retraite en 1828. Il est mort du choléra. L'essai Méditation sur la force motrice du feu, publié en 1824, est le seul ouvrage achevé de Carnot. Carnot écrit : « La chaleur n'est qu'une force motrice, ou plutôt un mouvement qui a changé de forme ; c'est le mouvement des particules des corps ; partout où se produit la destruction de la force motrice, la chaleur surgit en quantité exactement proportionnelle à la quantité de la force motrice disparue Inversement : toujours avec la disparition de la chaleur il y a une force motrice. Ainsi, il est possible d'exprimer une position générale : la force motrice existe dans la nature en quantité inchangée ; elle n'est, à proprement parler, jamais créée, jamais détruite ; en fait, il change de forme, c'est-à-dire qu'il provoque tantôt un mouvement, puis un autre, mais ne disparaît jamais. Selon certaines idées que j'ai sur la théorie de la chaleur, la création d'une unité de force nécessite la dépense de 2,7 unités de chaleur. A propos de ces lignes, le célèbre savant français Henri Poincaré s'est exclamé avec admiration en 1892 : "Est-il possible d'exprimer plus clairement et plus précisément la loi de conservation de l'énergie ?" En tant qu'ingénieur, Carnot était engagé dans le calcul et la construction de moteurs à eau. Mais comme à cette époque les machines à vapeur étaient de plus en plus utilisées dans toute la France, le jeune ingénieur s'est intéressé à la création de la théorie des machines thermiques. À l'époque, la science était dominée par l'idée que la chaleur est une substance. Mais Sadi Carnot a décidé de répondre à l'une des questions les plus difficiles de la physique ; Dans quelles conditions est-il possible de convertir la chaleur en travail ? Connaissant bien le calcul des machines à eau, Carnot assimile la chaleur à l'eau. Il le savait très bien : pour qu'un moulin à eau fonctionne, une condition est nécessaire : l'eau doit tomber d'un niveau haut à un niveau bas. Carnot a suggéré que pour que la chaleur fasse un travail, elle doit également passer d'un niveau élevé à un niveau bas, et la différence de hauteur pour l'eau correspond à la différence de température pour la chaleur. En 1824, Sadi Carnot exprime l'idée, grâce à laquelle il entre dans l'histoire : pour la production de travail dans une machine thermique, il faut une différence de température, il faut deux sources de chaleur avec des températures différentes. Cet énoncé de la théorie de Carnot est le principal et s'appelle le principe de Carnot. Sur la base du principe qu'il a dérivé, Carnot a imaginé le cycle d'un moteur thermique idéal, qu'aucun moteur réel ne peut surpasser. La machine idéale, selon Carnot, était un simple cylindre à piston. La paroi inférieure du cylindre a une conductivité thermique idéale, il peut être placé sur une surface chaude, par exemple, sur la surface d'un radiateur rempli d'un mélange de plomb fondu et solide, ou sur la surface d'un réfrigérateur, par exemple, avec un mélange d'eau et de glace. Les deux sources de chaleur sont infiniment grandes. La deuxième loi de la thermodynamique stipule qu'une machine à mouvement perpétuel du deuxième type est impossible. Cette affirmation est une paraphrase du principe de Carnot et, par conséquent, l'efficacité d'une machine fonctionnant sur un cycle de Carnot ne peut pas dépendre de la substance utilisée dans le cycle. Carnot décrit le cycle de fonctionnement d'un moteur thermique idéal, montre comment calculer son efficacité maximale. Pour ce faire, il suffit de connaître la température la plus haute et la plus basse de la vapeur d'eau (ou de tout autre liquide de refroidissement, comme l'a noté Carnot) utilisée dans cette machine. La différence entre ces températures, divisée par la valeur de température élevée, équivaut à l'efficacité de la machine. Les températures doivent être exprimées en degrés de l'échelle Kelvin absolue. Cette équation s'appelle la deuxième loi de la thermodynamique, et toute la technologie lui obéit. Le calcul utilisant la formule de Carnot a montré que les premiers moteurs thermiques ne pouvaient pas avoir un rendement supérieur à 7 à 8 pour cent, et si l'on prend en compte les inévitables fuites de chaleur dans l'atmosphère, la valeur résultante de 2 à 3 pour cent devrait être considérée comme une réalisation significative. ... Assez rapidement, en plus de la vapeur, comme l'avait prédit Carnot, le gaz a également été utilisé dans les turbines, qui peuvent être chauffées à haute température. Si la température des gaz chauds dans la turbine est de 800 degrés Kelvin (527 degrés Celsius) et que le réfrigérateur la réduit à 300 degrés Kelvin, alors l'efficacité maximale de la machine, même dans le cas d'un cycle de Carnot idéal, ne peut pas être supérieur à 62 %. Les pertes de chaleur inévitables conduisent, comme toujours, à une diminution de ce chiffre. Les meilleurs exemples de turbines installées dans les centrales électriques modernes ont un rendement de 35 à 40 %. Carnot signale une spécificité de la chaleur. La chaleur ne crée un travail mécanique qu'avec une "différence" thermique, c'est-à-dire la présence d'une différence de température. Cette différence de température détermine l'efficacité des moteurs thermiques. Paul Clapeyron développe en 1834 les idées de Carnot et introduit une méthode graphique très précieuse dans les études thermodynamiques. En 1850, paraît le premier ouvrage de Rudolf Clausius (1822-1888) « De la force motrice de la chaleur », dans lequel encore, après Carnot et Clapeyron, se pose la question des conditions de conversion de la chaleur en travail. Le principe de conservation de l'énergie, n'exigeant qu'une égalité quantitative, n'impose aucune condition à la transformation qualitative des énergies. Dans cet ouvrage, Clausius analyse la théorie de Carnot d'un nouveau point de vue, du point de vue de la théorie mécanique de la chaleur. L'œuvre de Carnot avait récemment été ressuscitée des cendres de l'oubli par William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907). "Thomson admet", écrit PS Kudryavtsev dans son livre "Histoire de la physique", que l'opinion de Carnot selon laquelle la chaleur dans les machines est seulement redistribuée, mais pas consommée, est fausse." Mais en même temps, il précise que si l'on abandonne les conclusions de Carnot sur les conditions de transformation de la chaleur en travail, on se heurte à des difficultés insurmontables. Thomson conclut que la théorie de la chaleur nécessite une restructuration sérieuse et des recherches expérimentales supplémentaires. Dans son travail, Clausius estime qu'avec la première loi, qui dit que « dans tous les cas où la chaleur produit du travail, une quantité de chaleur est consommée proportionnelle au travail reçu », la position de Carnot doit être retenue comme deuxième loi, que le travail est produit lorsque la chaleur passe d'un corps plus chaud à un plus froid. Cette position, selon Clausius, est cohérente avec la nature de la chaleur, dans laquelle il y a toujours une transition de chaleur "par elle-même" d'un corps chaud à un corps froid, et non l'inverse. Comme deuxième principe, Clausius pose le postulat : "La chaleur ne peut pas "d'elle-même" passer d'un corps plus froid à un corps plus chaud." Les mots "par lui-même" ne doivent pas signifier que la chaleur ne peut pas du tout être transférée d'un corps froid à un corps chauffé (sinon les machines de réfrigération ne seraient pas possibles). Ils signifient qu'il ne peut y avoir de tels processus, dont le seul résultat serait la transition mentionnée, sans autres changements "compensatoires" correspondants. Ce travail a été suivi presque simultanément en 1851 par les trois articles de Thomson. Après avoir examiné la question de la transformation des différentes formes d'énergie d'un point de vue quantitatif, Thomson fait remarquer qu'à valeur quantitative identique, tous les types d'énergie ne sont pas susceptibles de transformation au même degré. Par exemple, il existe des conditions dans lesquelles la conversion de la chaleur en travail est impossible. Le postulat de Thomson dit : "Il est impossible, au moyen d'un corps inanimé, d'obtenir une action mécanique d'une masse de matière quelconque en refroidissant sa température au-dessous de celle du plus froid des corps environnants." Développant cette position, Thomson dans son travail de 1857 arrive à la conclusion bien connue sur la tendance dominante de la nature à convertir l'énergie en chaleur et à égaliser les températures, ce qui conduit finalement à une diminution de l'efficacité de tous les corps à zéro, à la chaleur décès. En 1854, Clausius dans son article "Sur une forme modifiée de la seconde loi de la théorie mécanique de la chaleur" prouve le théorème de Carnot, basé sur son postulat, et, en le généralisant, donne une expression mathématique de la seconde loi sous la forme d'un inégalité pour les processus circulaires. Dans des travaux ultérieurs, Clausius introduit la fonction d'état « entropie » et donne une formulation mathématique de la tendance, vue par Thomson, sous la forme de la position « L'entropie de l'univers tend vers un maximum ». Ainsi, en physique, avec la "reine du monde" (énergie), son "ombre" (entropie) est apparue. Clausius lui-même à la fin de son ouvrage en 1865 écrit : « La seconde loi, sous la forme dans laquelle je l'ai donnée, dit que toutes les transformations qui se produisent dans la nature dans une certaine direction, que j'ai prise comme positive, peuvent se produire d'elles-mêmes. , c'est-à-dire sans compensation, mais en sens inverse, c'est-à-dire dans un sens négatif, ils ne peuvent se produire que s'ils sont compensés par des transformations positives se produisant simultanément avec eux. L'application de ce principe à l'univers entier conduit à la conclusion indiquée pour la première fois par William Thomson. En effet, si pour tous les changements qui se produisent dans l'Univers, les états de transformation dans une direction particulière l'emportent constamment en grandeur sur les transformations dans la direction opposée, alors "l'état général de l'Univers doit changer de plus en plus dans la première direction, et donc il doit constamment s'approcher de l'état limite. Auteur : Samin D.K.
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