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DESCOBERTAS CIENTÍFICAS MAIS IMPORTANTES
A segunda lei da termodinâmica. História e essência da descoberta científica
Diretório / As descobertas científicas mais importantes O inglês Humphrey Davy (1788-1829) tornou-se professor aos 23 anos, ganhou muitos prêmios científicos e públicos e, além disso, acrescentou o tratamento "sir" ao seu nome, foi eleito presidente da Royal Society de Londres. Durante sua longa vida na ciência, ele conduziu muitos experimentos bem-sucedidos. No início do século XIX, Davy conseguiu derreter o gelo por fricção a uma temperatura abaixo de zero. Mais tarde, a experiência foi repetida pelo cientista russo Petrov. Benjamin Thompson (1753-1814), que emigrou da América após a conclusão vitoriosa da Guerra da Independência e recebeu o título de Conde Rumford na Baviera, publicou em 1798 os resultados de experimentos em canos de canhão de perfuração. Em um de seus experimentos, a 960 rotações da broca, a temperatura do cilindro perfurado aumentou 37 graus Celsius. Davy chegou à conclusão de que a teoria do calórico era incompatível tanto com os experimentos de Rumfoord quanto com os seus próprios, e apresentou uma teoria cinética do calor, segundo a qual o calor representa o movimento oscilatório das partículas do corpo, e para gases e líquidos, ele também permitido o movimento rotacional das partículas. Jung também aderiu à teoria vibracional do calor. E, no entanto, a teoria do calórico continuou a dominar. As duas obras mais fundamentais sobre a teoria do calor relativas ao período considerado, obras que entraram legitimamente no fundo dourado da literatura científica, baseiam-se no conceito de calórico. A primeira dessas obras, Teoria Analítica do Calor de Fourier, foi publicada em 1822 em Paris e é o resultado de seus muitos anos de pesquisa no campo da física matemática. Outro ensaio pertencia ao filho do famoso matemático francês Lazar Carnot, Sadi Carnot. Nicolò Léonard Sadi Carnot (1796–1832) estudou na Escola Politécnica. Desde 1814 trabalha como engenheiro militar e desde 1819 é tenente do Estado-Maior. Como filho de um ministro republicano no exílio, Carnot não pôde ser promovido e aposentado em 1828. Ele morreu de cólera. O ensaio Meditação sobre a Força Motriz do Fogo, publicado em 1824, foi o único trabalho concluído de Carnot. Carnot escreve: “O calor nada mais é que uma força motriz, ou melhor, um movimento que mudou de forma; é o movimento das partículas dos corpos; onde quer que ocorra a destruição da força motriz, o calor surge em uma quantidade exatamente proporcional à a quantidade de força motriz desaparecida.Inversamente: sempre com o desaparecimento do calor há uma força motriz. Assim, é possível expressar uma posição geral: a força motriz existe na natureza em quantidade inalterada; é, estritamente falando, nunca criado, nunca destruído; na verdade, muda de forma, ou seja, causa ora um tipo de movimento, ora outro, mas nunca desaparece. De acordo com algumas idéias que tenho sobre a teoria do calor, a criação de uma unidade de força requer o gasto de 2,7 unidades de calor. Sobre essas linhas, o famoso cientista francês Henri Poincaré exclamou com admiração em 1892: "É possível expressar a lei da conservação da energia com mais clareza e precisão?" Como engenheiro, Carnot estava envolvido no cálculo e construção de motores de água. Mas como naquela época as máquinas a vapor eram cada vez mais usadas em toda a França, o jovem engenheiro se interessou em criar a teoria das máquinas térmicas. Naquela época, a ciência era dominada pela visão de que o calor é uma substância. Mas Sadi Carnot decidiu responder a uma das questões mais difíceis da física; Em que condições é possível converter calor em trabalho? Bem familiarizado com o cálculo das máquinas hidráulicas, Carnot comparou o calor à água. Ele sabia muito bem que, para que o moinho de água funcione, uma condição é necessária - a água deve cair de um nível alto para um baixo. Carnot sugeriu que, para que o calor realize trabalho, ele também deve se mover de um nível alto para um baixo, e a diferença de altura para a água corresponde à diferença de temperatura para o calor. Em 1824, Sadi Carnot expressou a ideia, graças à qual entrou para a história: para a produção de trabalho em uma máquina térmica, é necessária uma diferença de temperatura, são necessárias duas fontes de calor com temperaturas diferentes. Esta afirmação na teoria de Carnot é a principal e é chamada de princípio de Carnot. Com base no princípio que ele derivou, Carnot criou o ciclo de uma máquina térmica ideal, que nenhuma máquina real pode superar. A máquina ideal, segundo Carnot, era um cilindro simples com um pistão. A parede inferior do cilindro tem condutividade térmica ideal, pode ser colocada em uma superfície quente, por exemplo, na superfície de um aquecedor preenchido com uma mistura de chumbo fundido e sólido, ou na superfície de um refrigerador, por exemplo, com uma mistura de água e gelo. Ambas as fontes de calor são infinitamente grandes. A segunda lei da termodinâmica afirma que uma máquina de movimento perpétuo do segundo tipo é impossível. Esta afirmação é uma paráfrase do princípio de Carnot e, portanto, a eficiência de uma máquina operando em um ciclo de Carnot não pode depender da substância usada no ciclo. Carnot descreveu o ciclo de operação de uma máquina térmica ideal, mostrou como calcular sua eficiência máxima. Para isso, basta conhecer a temperatura máxima e mínima do vapor d'água (ou de qualquer outro líquido refrigerante, como observou Carnot) utilizado nesta máquina. A diferença entre essas temperaturas, dividida pelo valor de alta temperatura, é igual à eficiência da máquina. As temperaturas devem ser expressas em graus da escala Kelvin absoluta. Essa equação é chamada de segunda lei da termodinâmica, e toda tecnologia a obedece. O cálculo de acordo com a fórmula de Carnot mostrou que os primeiros motores térmicos não poderiam ter uma eficiência superior a 7–8% e, se levarmos em consideração o inevitável vazamento de calor na atmosfera, o valor resultante de 2–3% deve ser reconhecida como uma conquista significativa... Muito rapidamente, junto com o vapor, como previu Carnot, o gás também foi usado em turbinas, que podem ser aquecidas a altas temperaturas. Se a temperatura do gás quente na turbina é de 800 graus Kelvin (527 graus Celsius), e o refrigerador reduz para 300 graus Kelvin, então a eficiência máxima da máquina, mesmo no caso de um ciclo de Carnot ideal, não pode ser superior a 62 por cento. As inevitáveis perdas de calor levam, como sempre, a uma diminuição deste valor. Os melhores exemplos de turbinas instaladas em usinas modernas têm eficiência de 35 a 40%. Carnot apontou uma característica específica do calor. O calor cria trabalho mecânico apenas com uma "diferença" térmica, ou seja, a presença de uma diferença de temperatura. Essa diferença de temperatura determina a eficiência dos motores térmicos. Paul Clapeyron em 1834 desenvolveu as idéias de Carnot e introduziu um método gráfico que é muito valioso em estudos termodinâmicos. Em 1850, foi publicado o primeiro trabalho de Rudolf Clausius (1822-1888) "Sobre a força motriz do calor", no qual novamente, depois de Carnot e Clapeyron, foi levantada a questão sobre as condições de conversão de calor em trabalho. O princípio da conservação de energia, exigindo apenas igualdade quantitativa, não impõe nenhuma condição para a transformação qualitativa de energias. Neste trabalho, Clausius analisa a teoria de Carnot a partir de um novo ponto de vista, do ponto de vista da teoria mecânica do calor. O trabalho de Carnot recentemente foi ressuscitado das cinzas do esquecimento por William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907). "Thomson admite", escreve PS Kudryavtsev em seu livro "História da Física", que a visão de Carnot de que o calor nas máquinas é apenas redistribuído, mas não consumido, está errada. Mas, ao mesmo tempo, aponta que, se abandonarmos as conclusões de Carnot sobre as condições de transformação do calor em trabalho, encontramos dificuldades intransponíveis. Thomson conclui que a teoria do calor requer uma séria reestruturação e pesquisas experimentais adicionais. Em seu trabalho, Clausius acredita que junto com a primeira lei, que diz "que em todos os casos em que o calor produz trabalho, uma quantidade de calor proporcional ao trabalho recebido" é consumida, a posição de Carnot deve ser mantida como a segunda lei, que o trabalho é produzido quando o calor passa de um corpo mais quente para um mais frio. Essa posição, segundo Clausius, é coerente com a natureza do calor, em que há sempre uma transição do calor "por si só" de um corpo quente para um frio, e não vice-versa. Como segundo princípio, Clausius apresenta o postulado: "O calor não pode "por si mesmo" passar de um corpo mais frio para um mais quente". As palavras "por si só" não devem significar que o calor não pode ser transferido de um corpo frio para um aquecido (caso contrário, as máquinas de refrigeração não seriam possíveis). Eles significam que não pode haver tais processos, cujo único resultado seria a transição mencionada, sem correspondentes outras mudanças "compensatórias". Este trabalho foi seguido quase simultaneamente em 1851 por três artigos de Thomson. Tendo examinado a questão da transformação de várias formas de energia do ponto de vista quantitativo, Thomson aponta que com o mesmo valor quantitativo, nem todos os tipos de energia são capazes de transformação no mesmo grau. Por exemplo, existem condições em que a conversão de calor em trabalho é impossível. O postulado de Thomson diz: "É impossível, por meio de um corpo inanimado, obter ação mecânica de qualquer massa de matéria resfriando sua temperatura abaixo daquela dos corpos mais frios ao redor." Desenvolvendo essa posição, Thomson em seu trabalho de 1857 chega à conhecida conclusão sobre a tendência dominante na natureza de converter energia em calor e equalizar temperaturas, o que acaba levando a uma diminuição na eficiência de todos os corpos para zero, para aquecer morte. Em 1854, Clausius em seu artigo "Sobre uma forma modificada da segunda lei da teoria mecânica do calor" prova o teorema de Carnot, baseado em seu postulado, e, generalizando-o, dá uma expressão matemática da segunda lei na forma de um desigualdade para processos circulares. Em trabalhos subsequentes, Clausius introduz a função de estado "entropia" e dá uma formulação matemática da tendência, vista por Thomson, na forma da posição "A entropia do universo tende a um máximo". Assim, na física, junto com a "rainha do mundo" (energia), apareceu sua "sombra" (entropia). O próprio Clausius no final de seu trabalho em 1865 escreve: “A segunda lei, na forma em que a dei, diz que todas as transformações que ocorrem na natureza em uma determinada direção, que tomei como positiva, podem ocorrer por si mesmas. , ou seja, sem compensação, mas ao contrário, ou seja, em sentido negativo, elas só podem ocorrer se forem compensadas por transformações positivas que ocorrem simultaneamente com elas. A aplicação desse princípio a todo o universo leva à conclusão apontada pela primeira vez por William Thomson. De fato, se para todas as mudanças que ocorrem no Universo, os estados de transformação em uma direção particular prevalecem constantemente em magnitude sobre as transformações na direção oposta, então "o estado geral do Universo deve mudar cada vez mais na primeira direção, e assim deve aproximar-se constantemente do estado limite. Autor: Samin D. K.
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