Термодинамика, как наука об энергии и её преобразованиях, стала одним из основных помощников в процессе поиска не только "абсолютного нуля", и но ответов на вопросы о природе "холода". Её подходы и приёмы позволили учёным 16-17 веков, в результате научных споров и диспутов разделить наконец то понятия "температуры" и "тепла", хотя к тому моменту времени термодинамика сама ещё только зарождалась.
Учёные научились измерять их по отдельности, в калориях - тепло и в градусах - температуру. Конечно методы измерения на тот момент, оставляли желать лучшего, но тем не менее они уже были.
На долю учёных следующего 18 века, выпала сложная задача, по конкретизации этих понятий, а самое главное поиске связи между ними. А она очевидно, должна была быть.
Итак, процесс дальнейшего изучения свелся к поиску ниточек, дёргая за которые можно распутать этот клубок знаний.
За первую потянул Джозеф Блэк, введя понятие теплоемкости. Так он назвал коэффициент пропорциональности, между температурой и теплом, которое к телу подводится или отводится. Но Блэк ушёл ещё дальше, получив ещё один важнейший для современного холодильщика вывод. Оказывается тепло в процессе фазового перехода, подводимое к телу, вообще не меняет его температуру. А это значит, что все процессы фазового перехода идут строго при постоянной температуре. А теплота, как будто скрывается в теле. Такое название "скрытая теплота" так и продолжило использоваться. Сейчас мы её названием теплота испарения, плавления или сублимации.
Ешё один из важнейших выводов полученных Блэком, заключался в том, что если тела имею одинаковую температуру, это ещё не означает, что они содержат одинаковое количество тепла. Это несомненно привязывает теплоёмкость к индивидуальным свойствам вещества. Блэк комментируя опыты Фаренгейта, Рихмана и других, постоянно указывал на разность количества тепла необходимого для нагрева одинаковых количеств ртути и воды. И сделал вывод, что для универсализации понятия тепла и первой возможности измерять его в отрыве от конкретных веществ, он предложил ввести как базовую единицу - количество тепла. Его современник Ричард Криван, конкретизировал это понятие, приняв как единицу тепла, то значение, которое нагревает единицу массы воды на 1 градус. И лишт намного позже в середине 19 века, она получила общепризнанное название - калория.
Главной проблемой стало определение универсальной связи между всеми существующими параметрами вещества.Как говорится, была бы интересная задача, а тот кто её решит обязательно найдётся. И конечно нашёлся!
Давайте приветствовать, Николя Сади Карно! Никому на тот момент неизвестный офицер инженерных войск, прекратив военную службу начал заниматься изучением паровых машин.
Он в 27(!) лет в 1824 г. Опубликовал свою работу "о движущей силе огня и машинах, способных её развивать". Это была работа, в которой впервые был сильно обобщён и проанализирован опыт предшественников. Он очень часто ссылался на различные экспериментальные работы Пуассона и др. Интересно заменить, что эта работа была одной из первых, в которой очень заметно влиянием на теоретические исследования практических потребностей общества, связанных с необходимостью усовершенствования паровых машин. В совей работе Карно часто указывал, что при широком распространении паровых машин их усовершенствование носит случайный характер и не является плодом их всеобъемлющего изучения. Из работы Карно, самым интересным для современного холодильщика является его заключение, о том, что "...необходимо рассуждения о тепловых процессах надо применить ко всем видам тепловых машин, какая бы не была их механика, рабочее вещество и какого рода на него оказывается воздействие."
Он по существу создал (круговой процесс) цикл работы идеальной тепловой (нас интересует холодильной) машины. В котором при обмене теплородом происходило циклическое, как он считал получение работы, связанное с "выравниваем теплорода". Ценность его работы заключается в применении такого подхода, который показал, как происходит трансформация энергии в циклическом процессе и в процессе теплообмена с двумя источниками тепла. Однако, нельзя не заметить и тот факт, что многие ответы, к которым подошёл Карно совсем вплотную были получены только его последователями. .
Причин у этого две, первая заключается в том, что гениальный учёные прожил насыщенную, но очень короткую жизнь. Второй причиной является приверженность теории теплорода, которая была еще достаточно сильно распространена, хотя сам Карно постоянно в ней сомневался. Красной нитью через работы Карно проходит и догадка, об эквивалентности теплоты и работы, которую в последствии опытно подтвердит Джоуль. О всей гениальности работ Карно, очень много писал Ф. Энгельс.
К сожалению при жизни автора, как и в дальнейшем его работа не была замечена и правильным образом истолкована. Первым кто обратил на неё внимание и стал способствовать её распространению был Клапейрон. Поскольку сам Карно старался избегать формул, приходя к выводам, Клапейрон облачил все описания Карно в формулы и дал им широкое распространение.
Далее следовавшие работы Рудольфа Клаузиуса и Вильяма Томсона (лорда Кельвина), окончательно создали такой аналитический аппарат, который дал возможность отойти от природы вещества, к качественному уровню. К тому уровню где связи между параметрами состояния и процесса , не зависят от свойств рабочего тела.
Рудольф Клаузиус, ввёл понятие внутренней энергии, попутно закрыв навсегда вопрос о её физическом смысле. Объясняется это тем что, под этим понятием он собрал всю энергию движения малых частиц тела.
Теплород, окончательно канул в прошлое.
Клаузиус, применил к основе термодинамики, уже открытый закон сохранения энергии. И указал, что всё тепло, подведенное к системе, идёт на рост внутренней энергии, а все остальное на работу!
И ещё одну мысль Клаузиуса, нельзя не привести: "теплота и работа, это формы Энергии, которыми тело может обмениваться с другими телами".
Следовательно, содержаться в теле может только внутренняя энергия, а теплота и работа, есть только форма обмена энергией между телами.
После этих указаний Клаузиуса, вопрос, что такое "тепло", был окончательно закрыт.
С понятием "температуры", справилась молекулярная теория, дав ей описание, как средняя кинетическая энергия движения молекул. Но решения по универсальной связи температуры и тепла, молекулярная теория не дала.
Надежда оставалась только на термодинамику, и она не подвела!
Именно с тогда момента, термодинамика окончательно отошла от природы вещества, что и позволило сделать универсальную абсолютную шкалу температур.
Клаузиус с целью привязки к ещё не полученной шкале температур, ввёл понятие "идеальный газ". Одной из особенностей понятия "идеальный газ", является полное отсутствие взаимодействия между частицами. Именно эта особенность в впоследствии ввела в заблуждение Джоуля, который искал причины охлаждения газов при дросселировании.
Проведя анализ цикла Карно, Клаузиус пришел к выводу, что при помощи обратного цикла, с подводом работы, возможно, отвести тепло с любого температурного уровня. Иными словами "дать холод", как об этом мечтал Бэкон, не выпрашивая его у природы. Первые изобретатели холодильных машин, нащупали этот вывод, методом проб и ошибок, а после работ Карно и Клаузиуса в конце 19 века, инженеры использовали новый принцип абсолютно сознательно, что дало качественно новые результаты.
Однако, цикл Карно, даёт не только идеальный холодильный цикл, но и даёт понять, сколько работы нужно затратить для отвода тепла. И тут ключевая роль принадлежит Томсону (лорду Кельвину), который на базе обратного цикла Карно, смог подойти совсем вплотную к созданию абсолютной шкалы температур. А впоследствии и создал её.
Одна из задач которую решил Томсон (лорд Кельвин), стала задача по определению, параметров шкалы температур, определив в своей работе, что абсолютный ноль равен -273*С. Температура, показываемая жидкостным термометром, отражает только термометрические свойства вещества. Однако в термодинамике, как сичтал Томсон, температура это прежде всего термодинамический параметр, и следовательно не должна зависеть от физических свойств конкретных веществ. Идея заложенная в работе Томсона состояла в преобразовании теплоты в работу. Рассмотрев идеальный цикл Карно, реализованный в двухфазной области для воды, при том, что опорные точками были взяты температуры кипения её и плавления льда при нормальном давлении, он получил уравнения для определения температуры как потенциала для обоих процессов через работы циклов.
Таким образом, он получил два значения потенциала 2,73 и 3,73 для этих процессов. Разбив как и предшественники, шкалу на 100 делений, т.е. приняв разницу между процессами фазового перехода в 100 градусов, он получил, что потенциал при плавлении льда равен 273, а при кипении воды 373. Этот потенциал впоследствии и получил его имя - Кельвин. Интервальное значение этого потенциала соответственно равно градусу Цельсия.
Также Томсон впоследствии определил и какое количество тепла нужно отвести от тела до достижения температуры абсолютного нуля. Вспоминая, Фарадея, который достиг -110*С, ему всего-то оставалось пройти "каких-то" 163 градуса.
В дальнейшем Томсон продолжив работу, первым указал, что чем ниже необходимо охладить тело, тем затратнее эта задача. Это отчасти объясняло и провалы Фарадея с ожижением газов, однако полностью подтвердило слова Бэкона, о той сложности с которой природа даёт нам холод.
И перед физиками, стала новая задача. Нужно было найти какой-то новый способ охлаждения, который позволил бы "оторваться" от Фарадеевских -110*С.
И как покажет дальнейшая история этот способ был найден.
