ریاضیات

تاریخ

نماینده ترمودینامیک هشت مکتب پایه گذار ترمودینامیک. مکتب‌هایی که ماندگارترین تأثیر را در پایه‌گذاری نسخه‌های مدرن ترمودینامیک دارند، مکتب برلین هستند، به‌ویژه همانطور که در کتاب درسی «نظریه مکانیکی گرما » رودولف کلازیوس در سال 1865 ، مکتب وین، با مکانیک آماری لودویگ بولتزمن و مدرسه گیبسیان در دانشگاه ییل، مهندس آمریکایی ویلارد گیبز 1876 در مورد تعادل مواد ناهمگن که ترمودینامیک شیمیایی را راه اندازی می کند . [9]

تاریخچه ترمودینامیک به عنوان یک رشته علمی به طور کلی با اتو فون گوریکه آغاز می شود که در سال 1650 اولین پمپ خلاء جهان را ساخت و طراحی کرد و خلاء را با استفاده از نیمکره های ماگدبورگ خود نشان داد . گوریکه برای رد فرضیه دیرینه ارسطو مبنی بر اینکه «طبیعت از خلاء بیزار است»، مجبور به ایجاد خلاء شد. اندکی پس از Guericke، فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی-ایرلندی رابرت بویل از طرح های Guericke مطلع شد و در سال 1656، با هماهنگی دانشمند انگلیسی رابرت هوک ، یک پمپ هوا ساخت. [10] بویل و هوک با استفاده از این پمپ متوجه همبستگی بین آنها شدندفشار ، دما و حجم . با گذشت زمان، قانون بویل فرموله شد که بیان می کند فشار و حجم با هم نسبت معکوس دارند . سپس، در سال 1679، بر اساس این مفاهیم، ​​یکی از همکاران بویل به نام دنیس پاپین یک هاضم بخار ساخت که یک ظرف بسته با درب محکمی بود که بخار را تا زمانی که فشار بالا ایجاد می شد، محدود می کرد.

طرح های بعدی یک دریچه تخلیه بخار را اجرا کردند که از انفجار دستگاه جلوگیری می کرد. پاپین با تماشای حرکت ریتمیک سوپاپ به سمت بالا و پایین، ایده یک پیستون و یک موتور سیلندر را در سر داشت. با این حال، او طرح خود را دنبال نکرد. با این وجود، در سال 1697، بر اساس طرح های پاپین، مهندس توماس ساوری اولین موتور را ساخت و به دنبال آن توماس نیوکامن در سال 1712 ساخته شد. اگرچه این موتورهای اولیه خام و ناکارآمد بودند، اما توجه دانشمندان برجسته آن زمان را به خود جلب کردند.

مفاهیم اساسی ظرفیت گرمایی و گرمای نهان ، که برای توسعه ترمودینامیک ضروری بودند، توسط پروفسور جوزف بلک در دانشگاه گلاسکو، جایی که جیمز وات به عنوان سازنده ابزار در آن مشغول به کار بود، ایجاد شد. بلک و وات آزمایش‌هایی را با هم انجام دادند، اما این وات بود که ایده خازن خارجی را تصور کرد که منجر به افزایش زیادی در راندمان موتور بخار شد . [11] با تکیه بر تمام کارهای قبلی، سادی کارنو ، «پدر ترمودینامیک»، کتاب « بازتاب‌هایی درباره نیروی محرکه آتش » را منتشر کرد.(1824)، گفتمانی در مورد گرما، نیرو، انرژی و راندمان موتور. این کتاب به تشریح روابط اولیه انرژی بین موتور کارنو ، چرخه کارنو و نیروی محرکه پرداخته است. این شروع ترمودینامیک به عنوان یک علم مدرن بود. [12]

اولین کتاب درسی ترمودینامیکی در سال 1859 توسط ویلیام رانکین نوشته شد که در ابتدا به عنوان فیزیکدان و استاد مهندسی عمران و مکانیک در دانشگاه گلاسکو آموزش دیده بود . [13] قانون اول و دوم ترمودینامیک به طور همزمان در دهه 1850 پدیدار شد، عمدتا از آثار ویلیام رانکین ، رودولف کلازیوس ، و ویلیام تامسون (لرد کلوین). پایه های ترمودینامیک آماری توسط فیزیکدانانی مانند جیمز کلرک ماکسول ، لودویگ بولتزمن ، ماکس پلانک ، رودولف کلازیوس و جی. ویلارد گیبس تنظیم شد.

کلازیوس که برای اولین بار ایده های اساسی قانون دوم را در مقاله خود "درباره نیروی متحرک گرما"، [3] منتشر شده در سال 1850 بیان کرد و "یکی از بنیانگذاران ترمودینامیک" نامیده شد، [14] این مفهوم را معرفی کرد. آنتروپی در سال 1865.

در طول سالهای 1873-1876، جوزیا ویلارد گیبز، فیزیکدان ریاضی آمریکایی، مجموعه‌ای از سه مقاله منتشر کرد که معروف‌ترین آن‌ها در مورد تعادل مواد ناهمگن بود، [15] که در آن نشان داد چگونه فرآیندهای ترمودینامیکی ، از جمله واکنش‌های شیمیایی ، می‌توانند به صورت گرافیکی تجزیه و تحلیل شوند. با مطالعه انرژی ، آنتروپی ، حجم ، دما و فشار سیستم ترمودینامیکی به این صورت، می توان تعیین کرد که آیا یک فرآیند خود به خود اتفاق می افتد یا خیر. [16] همچنین پیر دوهمدر قرن 19 در مورد ترمودینامیک شیمیایی نوشت. [17] در اوایل قرن 20، شیمیدانانی مانند گیلبرت N. Lewis ، Merle Randall ، [18] و EA Guggenheim [19] [20] از روش های ریاضی گیبس برای تجزیه و تحلیل فرآیندهای شیمیایی استفاده کردند.

علم اشتقاق لغات

ریشه شناسی ترمودینامیک تاریخچه پیچیده ای دارد. [21] اولین بار به صورت خط فاصله به عنوان صفت ( ترمو دینامیک ) و از سال 1854 تا 1868 به عنوان اسم ترمو دینامیک برای نشان دادن علم موتورهای حرارتی تعمیم یافته نوشته شد. [21]

بیوفیزیکدان آمریکایی دونالد هاینی ادعا می کند که ترمودینامیک در سال 1840 از ریشه یونانی θέρμη therme به معنی گرما و δύναμις dynamis به معنای قدرت ابداع شد. [22]

پیر پرو ادعا می کند که اصطلاح ترمودینامیک توسط جیمز ژول در سال 1858 برای تعیین علم روابط بین گرما و نیرو ابداع شد، [12] با این حال، ژول هرگز از این اصطلاح استفاده نکرد، بلکه در عوض از اصطلاح موتور ترمودینامیکی کامل در اشاره به تامسون استفاده کرد. 1849 [23] عبارت شناسی. [21]

در سال 1858، ترمودینامیک ، به عنوان یک اصطلاح کاربردی، در مقاله ویلیام تامسون "گزارشی از نظریه کارنو در مورد نیروی محرکه گرما" استفاده شد. [23]

شاخه های ترمودینامیک

مطالعه سیستم‌های ترمودینامیکی به چندین شاخه مرتبط تبدیل شده است که هر کدام از یک مدل بنیادی متفاوت به عنوان مبنای نظری یا تجربی استفاده می‌کنند، یا اصول را برای انواع مختلف سیستم‌ها به کار می‌گیرند.

ترمودینامیک کلاسیک

ترمودینامیک کلاسیک توصیفی از حالات سیستم های ترمودینامیکی در نزدیکی تعادل است که از خواص ماکروسکوپی و قابل اندازه گیری استفاده می کند. برای مدل سازی مبادلات انرژی، کار و گرما بر اساس قوانین ترمودینامیک استفاده می شود. واجد شرایط کلاسیک نشان دهنده این واقعیت است که نشان دهنده اولین سطح از درک موضوع است که در قرن نوزدهم توسعه یافت و تغییرات یک سیستم را از نظر پارامترهای تجربی ماکروسکوپی (مقیاس بزرگ و قابل اندازه گیری) توصیف می کند. تفسیر میکروسکوپی از این مفاهیم بعدها با توسعه مکانیک آماری ارائه شد .

مکانیک آماری

مکانیک آماری که با نام ترمودینامیک آماری نیز شناخته می‌شود، با توسعه نظریه‌های اتمی و مولکولی در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم پدیدار شد و ترمودینامیک کلاسیک را با تفسیری از برهمکنش‌های میکروسکوپی بین ذرات منفرد یا حالت‌های مکانیکی کوانتومی تکمیل کرد. این زمینه خواص میکروسکوپی تک تک اتم‌ها و مولکول‌ها را به خواص ماکروسکوپی و توده‌ای مواد که می‌توان در مقیاس انسانی مشاهده کرد، مرتبط می‌کند، در نتیجه ترمودینامیک کلاسیک را به عنوان نتیجه طبیعی آمار، مکانیک کلاسیک و نظریه کوانتومی در سطح میکروسکوپی توضیح می‌دهد.

ترمودینامیک شیمیایی

ترمودینامیک شیمیایی مطالعه رابطه متقابل انرژی با واکنش های شیمیایی یا با تغییر فیزیکی حالت در محدوده قوانین ترمودینامیک است. هدف اصلی ترمودینامیک شیمیایی، تعیین خودانگیختگی یک تبدیل معین است. [24]

ترمودینامیک تعادلی

ترمودینامیک تعادلیمطالعه انتقال ماده و انرژی در سیستم ها یا اجسامی است که توسط آژانس های اطراف خود می توانند از یک حالت تعادل ترمودینامیکی به حالت دیگر هدایت شوند. اصطلاح «تعادل ترمودینامیکی» حالتی از تعادل را نشان می‌دهد که در آن تمام جریان‌های ماکروسکوپی صفر هستند. در مورد ساده ترین سیستم ها یا اجسام، خواص فشرده آنها همگن است و فشار آنها عمود بر مرزهایشان است. در حالت تعادل، هیچ پتانسیل نامتعادلی، یا نیروی محرکه، بین بخش‌های متمایز ماکروسکوپی سیستم وجود ندارد. یک هدف اصلی در ترمودینامیک تعادلی این است: با توجه به یک سیستم در حالت تعادل اولیه کاملاً تعریف شده و با توجه به محیط اطراف آن و با توجه به دیوارهای سازنده آن،

ترمودینامیک غیرتعادلی

ترمودینامیک غیرتعادلی شاخه ای از ترمودینامیک است که به سیستم هایی می پردازد که در تعادل ترمودینامیکی نیستند. اکثر سیستم‌هایی که در طبیعت یافت می‌شوند در تعادل ترمودینامیکی نیستند زیرا در حالت ساکن نیستند و به طور پیوسته و ناپیوسته در معرض جریان ماده و انرژی به و از سیستم‌های دیگر هستند. مطالعه ترمودینامیکی سیستم های غیرتعادلی به مفاهیم کلی تری نسبت به ترمودینامیک تعادلی نیاز دارد. [25] بسیاری از سیستم های طبیعی هنوز هم امروزه فراتر از محدوده روش های ترمودینامیکی ماکروسکوپی شناخته شده در حال حاضر باقی مانده اند.