Применение термодинамических методов

Создание и развитие термодинамики способствовало дальнейшим теоретическим исследованиям свойств вещества. Ученые, инженеры, конструкторы, используя полученные термодинамические выводы, успешно разрабатывали теорию поршневых двигателей внутреннего сгорания. Мощный толчок в развитии получила теория газотурбинных установок, реактивных двигателей, атомных электростанций. Не менее важным применением законов термодинамики представляются исследования и разработка методов прямого преобразования внутренней энергии в электрическую - термобатареи, магнитогидродинамические генераторы. Без применения термодинамических методов невозможно было бы решать также вопросы эффективности термодинамических циклов, осуществляющихся в тепловых и холодильных установках. Большое значение для практики имели исследования теплопроводности, излучения, теплотехнических свойств вещества, осуществленные с применением термодинамических методов.

Кроме чисто технических аспектов приложения термодинамики важными являются результаты, полученные с применением новых методов в химии. Возникла новая ветвь науки - химическая термодинамика, в задачу которой входит исследование зависимости термодинамических свойств веществ от их состава, строения и условий существования, различных химических процессов, свойств растворов, в частности электролитов, термодинамических поверхностных явлений и др.

Универсальный характер термодинамических законов позволил предсказать ряд явлений, открытых впоследствии экспериментально. Именно использование термодинамических методов способствовало пониманию процессов намагничивания, некоторых свойств диэлектриков, термоупругих свойств вещества.

Прикладное направление в термодинамике активно развивали У. Томсон, Р. Клаузиус, Л. Больцман, М. Планк и ряд других исследователей. В 1821 г. голландским физиком Т. Зеебеком (1770 - 1831) было открыто явление термоэлектричества, заключающееся в том, что в цепи из разнородных металлов, контакты между которыми поддерживаются при различных температурах, возникает электродвижущая сила, получившая название термоэдс. Спустя некоторое время (1834) французский исследователь Ж. Пельтье (1785 - 1845) обнаружил обратное явление: возникновение разности температур в местах спая двух разнородных металлов при пропускании по цепи тока. Объяснение этих явлений было дано Томсоном с использованием термодинамических методов. В частности, Томсон рассматривал горячий спай термогенератора как нагреватель, холодный - как холодильник и распространил на этот преобразователь энергии выводы, полученные Карно для тепловых машин, позволяющие оценить КПД этого устройства. Исследуя вопросы термоэлектричества, Томсон нашел связь коэффициента Пельтье, абсолютной температуры и термоэдс, подтвержденную впоследствии экспериментально.

Также теоретически, используя термодинамический метод, Томсон предсказал эффект, названный впоследствии его именем, заключающийся в том, что в проводнике, вдоль которого имеется перепад температур, должна выделяться теплота, дополнительно к джоулевой. И это утверждение Томсона вскоре нашло экспериментальное подтверждение.

В 1853 г. Томсон пришел к выводу, что при медленном адиабатном протекании газа сквозь пористую перегородку должно наблюдаться изменение его температуры. Этот эффект, эффект Джоуля - Томсона, и в настоящее время широко применяется в холодильной технике для сжижения газов.

Не менее плодотворными оказались приложения термодинамического метода для объяснения и других свойств вещества.

Значительный вклад в решение ряда практических вопросов внесли русские физики. В работе "Исследования по математической физике" Б. Б. Голицын (1862 - 1916) провел широкие теоретические исследования явления электрострикции, заключающегося в деформации диэлектриков, помещенных в электрическое поле. Именно в его изысканиях термодинамическая теория диэлектриков получила всестороннее развитие. Н. А. Умов, рассматривая твердое тело как совокупность материальных точек, получил соотношение между температурными напряжениями и деформациями. Также наш соотечественник Н. Н. Шиллер, используя первое и второе начала термодинамики, получил выражение для теплоемкости тел.

Стоит отметить и тот факт, что именно термодинамические выводы привели Кирхгофа к открытию закона о пропорциональности лучеиспускания и лучепоглощения. Дальнейшее развитие этого вопроса - поиск аналитического выражения кривой теплового излучения - привело Планка к гипотезе квантов и далее - к созданию современной физики квантовой механики.

В настоящее время термодинамический метод широко применяется для объяснения экспериментально установленных фактов и способствует предсказанию новых явлений и эффектов. Термодинамический подход широко используется учеными при создании новых материалов с заданными конструкционными свойствами и при изучении их характеристик, что важно в любой отрасли промышленности и техники.