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가장 중요한 과학적 발견
열역학 제XNUMX법칙. 과학적 발견의 역사와 본질
영국인 험프리 데이비(Humphrey Davy, 1788-1829)는 23세에 교수가 되어 많은 과학 및 공적 상을 받았으며, 그 외에도 그의 이름에 "선생님"이라는 치료를 추가하여 런던 왕립 학회 회장으로 선출되었습니다. 오랜 과학 생활 동안 그는 많은 성공적인 실험을 수행했습니다. 1753세기 초에 Davy는 영하의 온도에서 마찰을 통해 얼음을 녹이는 데 성공했습니다. 나중에 러시아 과학자 Petrov가 경험을 반복했습니다. 독립 전쟁이 승리한 후 미국에서 이주하여 바이에른에서 럼퍼드 백작이라는 칭호를 받은 벤자민 톰슨(1814~1798)은 960년 대포 배럴 시추 실험 결과를 발표했습니다. 그의 실험 중 하나에서 드릴의 37회전에서 드릴된 실린더의 온도가 섭씨 XNUMX도 상승했습니다. Davy는 열량 이론이 Rumford의 실험 및 자신의 실험과 양립할 수 없다는 결론에 도달했으며, 열이 신체 입자의 진동 운동과 기체 및 액체를 나타내는 열 운동 이론을 제시했습니다. , 그는 또한 입자의 회전 운동을 허용했습니다. Jung은 또한 열의 진동 이론에 합류했습니다. 그러나 칼로리 이론은 계속해서 지배적이었습니다. 고려중인 기간과 관련된 열 이론에 대한 두 가지 가장 기본적인 작업, 과학 문헌의 황금 기금에 정당하게 들어간 작업은 칼로리 개념을 기반으로 합니다. 이러한 작업 중 첫 번째 작품인 푸리에의 열 분석 이론은 1822년 파리에서 출판되었으며 수리 물리학 분야에서 수년간 연구한 결과입니다. 또 다른 에세이는 유명한 프랑스 수학자 Lazar Carnot, Sadi Carnot의 아들에 속했습니다. Nicolò Léonard Sadi Carnot(1796–1832)은 폴리테크닉 학교에서 공부했습니다. 1814년부터 그는 군사 엔지니어로 일했고 1819년부터 참모부 중위였습니다. 망명 중인 공화당 장관의 아들인 카르노는 승진할 수 없었고 1828년에 은퇴했습니다. 그는 콜레라로 사망했습니다. 1824년에 출판된 불의 동기에 관한 에세이 Meditation on the Motive Force of Fire는 Carnot의 유일한 완결 작품이었습니다. 카르노(Carnot)는 "열은 구동력에 지나지 않으며, 오히려 그 형태가 변한 운동이다. 그것은 물체 입자의 운동이다. 구동력이 파괴되는 곳마다 정확히 비례하는 양의 열이 발생한다. 사라진 추진력의 양 반대로 : 항상 열이 사라지면 추진력이 있습니다. 따라서 일반적인 입장을 표현할 수 있습니다. 원동력은 본질적으로 변하지 않은 양으로 존재합니다. 엄밀히 말해서 그것은 결코 창조되지도 파괴되지도 않는다. 사실 그것은 형태를 바꾼다. 즉 그것은 이제 한 종류의 운동을 일으키고 또 다른 운동을 일으키지만 결코 사라지지 않는다. 열 이론에 대한 몇 가지 생각에 따르면 힘의 단위를 생성하려면 2,7 단위의 열이 필요합니다. 이 선에 대해 유명한 프랑스 과학자 앙리 푸앵카레는 1892년에 "에너지 보존 법칙을 더 명확하고 정확하게 표현할 수 있습니까? "라고 감탄하며 외쳤습니다. 엔지니어로서 Carnot은 물 엔진의 계산 및 건설에 참여했습니다. 그러나 그 무렵 증기 기관이 프랑스 전역에서 점점 더 많이 사용되고 있었기 때문에 젊은 엔지니어는 열 기관 이론을 만드는 데 관심을 갖게 되었습니다. 당시 과학은 열이 물질이라는 견해가 지배적이었습니다. 그러나 Sadi Carnot은 물리학에서 가장 어려운 질문 중 하나에 답하기로 결정했습니다. 어떤 조건에서 열을 일로 변환할 수 있습니까? 물 엔진의 계산에 정통한 Carnot은 열을 물에 비유했습니다. 그는 물레방아가 작동하려면 한 가지 조건이 필요하다는 것을 완벽하게 잘 알고 있었습니다. 물이 높은 수준에서 낮은 수준으로 떨어져야 한다는 것입니다. Carnot은 열이 일을 하기 위해서는 높은 수준에서 낮은 수준으로 이동해야 하며 물의 높이 차이는 열의 온도 차이에 해당한다고 제안했습니다. 1824 년 Sadi Carnot은 그가 역사에 남긴 덕분에 아이디어를 표현했습니다. 열 엔진에서 작업을 생산하려면 온도 차이가 필요하고 온도가 다른 두 가지 열원이 필요합니다. 카르노 이론의 이 진술이 주요한 진술이며 카르노의 원리라고 불립니다. 그가 도출한 원리에 기초하여 Carnot은 어떤 실제 엔진도 능가할 수 없는 이상적인 열기관의 사이클을 제시했습니다. Carnot에 따르면 이상적인 기계는 피스톤이 있는 단순한 실린더였습니다. 실린더의 바닥 벽은 이상적인 열전도율을 가지며 예를 들어 용융 납과 고체 납의 혼합물로 채워진 히터 표면이나 냉장고 표면과 같은 뜨거운 표면에 놓을 수 있습니다. 물과 얼음의 혼합물로. 두 열원 모두 무한히 큽니다. 열역학 제XNUMX법칙은 제XNUMX종 영구 운동 기계는 불가능하다고 말합니다. 이 진술은 Carnot의 원리를 의역한 것이므로 Carnot 주기에서 작동하는 기계의 효율성은 주기에 사용된 물질에 의존할 수 없습니다. Carnot은 이상적인 열기관의 작동 주기를 설명하고 최대 효율을 계산하는 방법을 보여주었습니다. 이렇게 하려면 이 기계에 사용되는 수증기(또는 Carnot가 언급한 다른 냉각수)의 최고 온도와 최저 온도만 알면 됩니다. 높은 온도 값으로 나눈 이 온도 간의 차이는 기계의 효율성과 같습니다. 온도는 절대 켈빈 스케일로 표현되어야 합니다. 이 방정식을 열역학 제XNUMX법칙이라고 하며 모든 기술은 이 법칙을 따릅니다. Carnot 공식에 따른 계산에 따르면 최초의 열기관은 7~8% 이상의 효율을 가질 수 없으며 불가피하게 대기로 열이 누출되는 것을 고려하면 2~3%의 결과값은 다음과 같아야 합니다. 의미 있는 성과로 인정… Carnot이 예측했듯이 증기와 함께 매우 빠르게 가스는 고온으로 가열 될 수있는 터빈에도 사용되었습니다. 터빈의 고온 가스 온도가 800도(섭씨 527도)이고 냉장고가 이를 300도 켈빈으로 낮추면 이상적인 카르노 사이클에 따라 작동하더라도 기계의 최대 효율은 62% 이상이어야 합니다. 불가피한 열 손실로 인해 항상 그렇듯이 이 수치가 감소합니다. 현대식 발전소에 설치된 터빈의 가장 좋은 예는 효율이 35~40%입니다. Carnot은 열의 특정한 특징을 지적했습니다. 열은 열 "차이", 즉 온도 차이가 있는 경우에만 기계적 작업을 생성합니다. 이 온도 차이는 열 엔진의 효율성을 결정합니다. 1834년 Paul Clapeyron은 Carnot의 아이디어를 발전시켰고 열역학 연구에서 매우 가치 있는 그래픽 방법을 도입했습니다. 1850 년에 Rudolf Clausius (1822-1888)의 첫 번째 작업 "On the driving force of heat"가 출판되었으며 Carnot과 Clapeyron 이후 다시 열을 작업으로 변환하는 조건에 대한 질문이 제기되었습니다. 양적 평등만을 요구하는 에너지 보존 원칙은 에너지의 질적 변환에 대한 조건을 부과하지 않습니다. 이 작품에서 클라우시우스는 카르노의 이론을 새로운 관점, 즉 열에 대한 역학적 이론의 관점에서 분석합니다. Carnot의 작업은 최근 William Thomson(Lord Kelvin)(1824–1907)에 의해 망각의 잿더미에서 부활했습니다. PS Kudryavtsev는 그의 저서 "History of Physics"에서 "Thomson은 기계의 열이 재분배될 뿐 소비되지 않는다는 Carnot의 견해가 잘못되었음을 인정합니다."라고 썼습니다. 그러나 동시에 그는 열이 일로 전환되는 조건에 관한 카르노의 결론을 포기하면 극복할 수 없는 어려움에 직면한다고 지적합니다. Thomson은 열 이론에는 심각한 재구성과 추가 실험 연구가 필요하다고 결론을 내립니다. 클라우지우스는 그의 저서에서 "열이 일을 발생시키는 모든 경우에 열량은 받은 일에 비례하여 소비된다"는 제XNUMX법칙과 함께 카르노의 입장을 제XNUMX법칙으로 유지해야 한다고 믿고 있으며, 그 일은 열이 더 따뜻한 물체에서 더 차가운 물체로 이동할 때 생성됩니다. Clausius에 따르면이 위치는 열의 특성과 일치하며, 열은 항상 뜨거운 몸체에서 차가운 몸체로 "자체적으로"전이되며 그 반대는 아닙니다. 두 번째 시작으로 Clausius는 "열은 "자체적으로"차가운 몸에서 따뜻한 몸으로 이동할 수 없습니다. "라는 가정을 제시합니다. "그 자체로"라는 단어는 열이 차가운 본체에서 가열된 본체로 전혀 전달될 수 없다는 것을 의미해서는 안 됩니다(그렇지 않으면 냉동 기계가 불가능할 것입니다). 그것들은 그러한 과정이 있을 수 없다는 것을 의미하며, 그 유일한 결과는 다른 "보상적" 변화에 대응하지 않고 언급된 전환이 될 것입니다. 이 작업은 1851년에 거의 동시에 Thomson의 세 편의 논문으로 이어졌습니다. 정량적 관점에서 다양한 형태의 에너지 변환 문제를 고려한 Thomson은 동일한 정량적 값으로 모든 유형의 에너지가 동일한 정도로 변환할 수 있는 것은 아니라고 지적합니다. 예를 들어, 열을 일로 변환할 수 없는 조건이 있습니다. Thomson의 가정은 다음과 같이 말합니다. "무생물을 사용하여 물질 덩어리의 온도를 주변 물체 중 가장 낮은 온도 이하로 냉각시켜 기계적 작용을 얻는 것은 불가능합니다." 이 입장을 발전시키면서 Thomson은 1857년 그의 연구에서 에너지를 열로 변환하고 온도를 균등화하는 자연의 지배적 경향에 대한 잘 알려진 결론에 도달했습니다. 죽음. 1854년에 Clausius는 그의 기사 "열에 대한 기계적 이론의 두 번째 법칙의 수정된 형태"에서 그의 가정에 기초하여 Carnot의 정리를 증명하고 이를 일반화하여 다음과 같은 형태로 두 번째 법칙의 수학적 표현을 제공합니다. 순환 프로세스에 대한 불평등. 후속 작업에서 Clausius는 상태 함수 "엔트로피"를 도입하고 "우주의 엔트로피는 최대가 되는 경향이 있다"는 입장의 형태로 Thomson이 본 추세에 대한 수학적 공식을 제공합니다. 그래서 물리학에서 "세계의 여왕"(에너지)과 함께 그녀의 "그림자"(엔트로피)가 나타났습니다. Clausius 자신은 1865 년 작업이 끝날 때 다음과 같이 썼습니다. , 즉 보상이 없지만 반대 방향, 즉 음의 방향으로 동시에 발생하는 양의 변환에 의해 보상되는 경우에만 발생할 수 있습니다. 이 원리를 우주 전체에 적용하면 윌리엄 톰슨이 처음 지적한 결론에 이르게 된다. 실제로 우주에서 일어나는 모든 변화에 대해 한 특정 방향의 변형 상태가 반대 방향의 변형보다 크기가 지속적으로 우세하다면 "우주의 일반적인 상태는 첫 번째 방향에서 점점 더 많이 변해야 합니다. 따라서 지속적으로 한계 상태에 접근해야 합니다. 저자: Samin D.K.
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