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LE PRINCIPALI SCOPERTE SCIENTIFICHE
La seconda legge della termodinamica. Storia ed essenza della scoperta scientifica
Elenco / Le scoperte scientifiche più importanti L'inglese Humphry Davy (1788-1829) divenne professore all'età di 23 anni, ottenne numerosi riconoscimenti scientifici e pubblici e inoltre, aggiunse al suo nome il trattamento "sir", fu eletto presidente della Royal Society di Londra. Durante la sua lunga vita scientifica, ha condotto molti esperimenti di successo. All'inizio del diciannovesimo secolo, Davy riuscì a sciogliere il ghiaccio per attrito a una temperatura inferiore allo zero. Successivamente, l'esperienza è stata ripetuta dallo scienziato russo Petrov. Benjamin Thompson (1753-1814), emigrò dall'America dopo la conclusione vittoriosa della Guerra d'Indipendenza e ricevette il titolo di Conte Rumford in Baviera, pubblicò nel 1798 i risultati degli esperimenti sulla perforazione di canne da cannone. In uno dei suoi esperimenti, a 960 giri del trapano, la temperatura del cilindro forato è aumentata di 37 gradi Celsius. Davy giunse alla conclusione che la teoria del calorico era incompatibile sia con gli esperimenti di Rumford che con i suoi, e avanzò una teoria cinetica del calore, secondo la quale il calore rappresenta il moto oscillatorio delle particelle corporee, e per gas e liquidi, ha anche movimento di rotazione consentito delle particelle. Jung si unì anche alla teoria vibrazionale del calore. Eppure la teoria del calorico ha continuato a dominare. Sul concetto di calorico si basano le due opere più fondamentali sulla teoria del calore relative al periodo in esame, opere entrate di diritto nel fondo aureo della letteratura scientifica. La prima di queste opere, La teoria analitica del calore di Fourier, fu pubblicata a Parigi nel 1822 ed è il risultato dei suoi molti anni di ricerca nel campo della fisica matematica. Un altro saggio apparteneva al figlio del famoso matematico francese Lazar Carnot, Sadi Carnot. Nicolò Léonard Sadi Carnot (1796–1832) studiò al Politecnico. Dal 1814 lavora come ingegnere militare e dal 1819 è tenente di stato maggiore. In quanto figlio di un ministro repubblicano in esilio, Carnot non poté essere promosso e si ritirò nel 1828. Morì di colera. Il saggio Meditation on the Motive Force of Fire, pubblicato nel 1824, fu l'unica opera completata di Carnot. Scrive Carnot: “Il calore non è altro che una forza motrice, o meglio, un movimento che ha cambiato forma; è il movimento delle particelle dei corpi; ovunque si verifica la distruzione della forza motrice, il calore sorge in una quantità esattamente proporzionale a la quantità della forza motrice scomparsa.Al contrario: sempre con la scomparsa del calore c'è una forza motrice. Si può così esprimere una posizione generale: la forza motrice esiste in natura in misura invariata; è, a rigor di termini, mai creato, mai distrutto; infatti cambia forma, cioè provoca ora un tipo di movimento, poi un altro, ma non scompare mai. Secondo alcune idee che ho sulla teoria del calore, la creazione di un'unità di forza richiede il dispendio di 2,7 unità di calore. A proposito di queste righe, il famoso scienziato francese Henri Poincaré esclamò nel 1892 con ammirazione: "È possibile esprimere la legge di conservazione dell'energia in modo più chiaro e preciso?" Come ingegnere, Carnot era impegnato nel calcolo e nella costruzione di motori ad acqua. Ma poiché a quel tempo i motori a vapore erano sempre più utilizzati in tutta la Francia, il giovane ingegnere si interessò a creare la teoria dei motori termici. Allora, la scienza era dominata dall'idea che il calore fosse una sostanza. Ma Sadi Carnot decise di rispondere a una delle domande più difficili della fisica; In quali condizioni è possibile convertire il calore in lavoro? Conoscendo bene il calcolo dei motori ad acqua, Carnot paragonò il calore all'acqua. Sapeva perfettamente che affinché il mulino ad acqua funzioni, è necessaria una condizione: l'acqua deve cadere da un livello alto a uno basso. Carnot ha suggerito che affinché il calore funzioni, deve anche passare da un livello alto a uno basso, e la differenza di altezza per l'acqua corrisponde alla differenza di temperatura per il calore. Nel 1824 Sadi Carnot espresse l'idea, grazie alla quale passò alla storia: per la produzione di un'opera in una macchina termica è necessaria una differenza di temperatura, sono necessarie due fonti di calore con temperature diverse. Questa affermazione nella teoria di Carnot è la principale ed è chiamata principio di Carnot. Basandosi sul principio da lui derivato, Carnot ha inventato il ciclo di un motore termico ideale, che nessun vero motore può superare. La macchina ideale, secondo Carnot, era un semplice cilindro con pistone. La parete di fondo del cilindro ha una conduttività termica ideale, può essere posizionata su una superficie calda, ad esempio, sulla superficie di un riscaldatore riempito con una miscela di piombo fuso e solido, o sulla superficie di un frigorifero, ad esempio, con una miscela di acqua e ghiaccio. Entrambe le fonti di calore sono infinitamente grandi. La seconda legge della termodinamica afferma che una macchina a moto perpetuo del secondo tipo è impossibile. Questa affermazione è una parafrasi del principio di Carnot, e quindi l'efficienza di una macchina che opera su un ciclo di Carnot non può dipendere dalla sostanza utilizzata nel ciclo. Carnot ha descritto il ciclo di funzionamento di un motore termico ideale, ha mostrato come calcolarne la massima efficienza. Per fare ciò, è solo necessario conoscere la temperatura più alta e quella più bassa del vapore acqueo (o di qualsiasi altro liquido di raffreddamento, come ha notato Carnot) utilizzato in questa macchina. La differenza tra queste temperature, divisa per il valore della temperatura elevata, è uguale all'efficienza della macchina. Le temperature devono essere espresse in gradi della scala Kelvin assoluta. Questa equazione è chiamata la seconda legge della termodinamica e tutta la tecnologia vi obbedisce. Il calcolo secondo la formula di Carnot ha mostrato che i primi motori termici non potevano avere un'efficienza superiore al 7-8 percento e, se si tiene conto dell'inevitabile dispersione di calore nell'atmosfera, il valore risultante del 2-3 percento dovrebbe essere riconosciuto come un risultato significativo... Abbastanza rapidamente, insieme al vapore, come previsto da Carnot, il gas è stato utilizzato anche nelle turbine, che possono essere riscaldate a temperature elevate. Se la temperatura del gas caldo nella turbina è di 800 gradi Kelvin (527 gradi Celsius) e il frigorifero la riduce a 300 gradi Kelvin, la massima efficienza della macchina, anche nel caso di un ciclo di Carnot ideale, non può essere superiore al 62 per cento. Le inevitabili dispersioni di calore portano, come sempre, ad una diminuzione di questa cifra. I migliori esempi di turbine installate nelle moderne centrali elettriche hanno un'efficienza del 35-40 percento. Carnot ha indicato una caratteristica specifica del calore. Il calore crea un lavoro meccanico solo con una "differenza" termica, cioè la presenza di una differenza di temperatura. Questa differenza di temperatura determina l'efficienza dei motori termici. Paul Clapeyron nel 1834 sviluppò le idee di Carnot e introdusse un metodo grafico molto prezioso negli studi termodinamici. Nel 1850 fu pubblicata la prima opera di Rudolf Clausius (1822-1888) "Sulla forza motrice del calore", in cui, dopo Carnot e Clapeyron, fu nuovamente sollevata la questione delle condizioni per convertire il calore in lavoro. Il principio di conservazione dell'energia, che richiede solo uguaglianza quantitativa, non impone alcuna condizione per la trasformazione qualitativa delle energie. In questo lavoro Clausius analizza la teoria di Carnot da un nuovo punto di vista, dal punto di vista della teoria meccanica del calore. Il lavoro di Carnot era stato recentemente resuscitato dalle ceneri dell'oblio da William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907). "Thomson ammette", scrive PS Kudryavtsev nel suo libro "History of Physics", che il punto di vista di Carnot secondo cui il calore nelle macchine viene solo ridistribuito, ma non consumato, è sbagliato". Ma allo stesso tempo fa notare che se si abbandonano le conclusioni di Carnot sulle condizioni per la conversione del calore in lavoro, si incontrano difficoltà insormontabili. Thomson conclude che la teoria del calore richiede una seria ristrutturazione e ulteriori ricerche sperimentali. Nella sua opera, Clausius ritiene che insieme alla prima legge, che dice "che in tutti i casi in cui il calore produce lavoro, si consuma una quantità di calore proporzionale al lavoro ricevuto", la posizione di Carnot dovrebbe essere mantenuta come seconda legge, che il lavoro si produce quando il calore passa da un corpo più caldo a uno più freddo. Questa posizione, secondo Clausius, è coerente con la natura del calore, in cui c'è sempre un passaggio di calore "di per sé" da un corpo caldo a uno freddo, e non viceversa. Come secondo principio, Clausius propone il postulato: "Il calore non può passare "da solo" da un corpo più freddo a uno più caldo". Le parole "di per sé" non dovrebbero significare che il calore non possa essere trasferito affatto da un corpo freddo a uno riscaldato (altrimenti le macchine frigorifere non sarebbero possibili). Significano che non possono esserci tali processi, il cui unico risultato sarebbe il suddetto passaggio, senza corrispondenti altri cambiamenti "compensatori". Questo lavoro fu seguito quasi contemporaneamente nel 1851 dai tre documenti di Thomson. Dopo aver esaminato la questione della trasformazione di varie forme di energia da un punto di vista quantitativo, Thomson sottolinea che, a parità di valore quantitativo, non tutti i tipi di energia sono in grado di trasformarsi allo stesso grado. Ad esempio, ci sono condizioni in cui la conversione del calore in lavoro è impossibile. Il postulato di Thomson dice: "È impossibile, per mezzo di un corpo inanimato, ottenere un'azione meccanica da qualsiasi massa di materia raffreddando la sua temperatura al di sotto di quella del più freddo dei corpi circostanti". Sviluppando questa posizione, Thomson nel suo lavoro del 1857 giunge alla ben nota conclusione sulla tendenza dominante in natura a convertire l'energia in calore e ad equalizzare le temperature, che alla fine porta a una diminuzione dell'efficienza di tutti i corpi a zero, a riscaldare Morte. Nel 1854 Clausius nel suo articolo "Su una forma modificata della seconda legge della teoria meccanica del calore" dimostra il teorema di Carnot, sulla base del suo postulato, e, generalizzandolo, fornisce un'espressione matematica della seconda legge sotto forma di disuguaglianza per i processi circolari. Nei lavori successivi Clausius introduce la funzione di stato "entropia" e fornisce una formulazione matematica della tendenza, vista da Thomson, nella forma della posizione "L'entropia dell'universo tende al massimo". Quindi, in fisica, insieme alla "regina del mondo" (energia), è apparsa la sua "ombra" (entropia). Lo stesso Clausius al termine del suo lavoro nel 1865 scrive: “La seconda legge, nella forma in cui l'ho data, dice che tutte le trasformazioni che avvengono in natura in una certa direzione, che ho ritenuto positiva, possono avvenire da sole , cioè senza compensazione, ma al contrario, cioè in direzione negativa, possono verificarsi solo se compensati da trasformazioni positive che si verificano contemporaneamente ad esse. L'applicazione di questo principio all'intero universo porta alla conclusione indicata per la prima volta da William Thomson. Infatti, se nonostante tutti i cambiamenti che avvengono nell'Universo, gli stati di trasformazione in una direzione particolare prevalgono costantemente in grandezza sulle trasformazioni nella direzione opposta, allora "lo stato generale dell'Universo deve cambiare sempre di più nella prima direzione, e quindi deve avvicinarsi continuamente allo stato limite. Autore: Samin D.K.
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