Лорд Кельвин. Классическая термодинамика - Антонио М. Лальена Рохо

Эффект Зеебека

Он состоит в появлении электрического тока (который можно зафиксировать с помощью амперметра) в цепи, образованной двумя биметаллическими соединениями, когда между этими соединениями устанавливается разница температур (см. рисунок 1). Зеебек открыл это явление, когда заметил, что компас вблизи этой цепи смещается. Самое прямое применение эффекта — термопара, то есть прибор, позволяющий определить на основе произведенного тока разницу температур между горячей и теплой узловыми точками.

Также этот эффект используют термоэлектрические генераторы, превращая остаточное тепло (например, на заводе по производству электричества) в дополнительное электричество.

РИС 1

Эффект Зеебека

Эффект Пельтье

Он проявляется при пропускании тока через соединение двух различных металлов, при этом производится или поглощается тепло. В соответствии с законом Джоуля при протекании тока через вещество производится некоторое количество тепла (QДжоуль), пропорциональное квадрату силы тока. Пельтье также заметил, что в соединении этих двух материалов тепло производится (+QПельтье) или поглощается (-QПельтье) в зависимости от направления движения тока, которое можно инвертировать, изменив полюса батареи (см. рисунок 2). На этом эффекте основан принцип действия тепловых насосов и термоэлектрических холодильников.

РИС 2

Эффект Пельтье

РИС 3

Эффект Томсона

Эффект Томсона

Это нагревание или охлаждение проводника, концы которого имеют разную температуру, когда по нему течет ток. Помимо тепла, вызванного эффектом Джоуля, тепло производится (+QТомсон) или поглощается (-QТомсон) в зависимости от направления тока. Изучив открытый эффект, Томсон смог объяснить два остальных эффекта. Открытое им явление используется при охлаждении. Во всех трех случаях существует зависимость от конкретных используемых металлов, что позволяет при подходящем сочетании вызвать необходимые эффекты в соответствии с конкретными техническими потребностями.

Вклад Томсона вылился в работу «О динамической теории тепла», и это исследование может считаться первым трактатом по общей термодинамике. В шести статьях, представленных Эдинбургскому королевскому обществу, он продемонстрировал радикальное изменение своих позиций по теории теплоты. В первой из них, которая вышла в марте 1851 года, Томсон заявил об отходе от теории теплорода, с одобрением отозвался об экспериментальных результатах Джоуля и немецкого физика и врача Юлиуса фон Майера (1814-1878), которые считал основополагающими на тот момент, а также упомянул работы Клаузиуса и Ранкина как важные. В своих рассуждениях он избегал предположений о природе тепла или материальных посредников и исследовал в качестве источника информации и инструмента проверки самой теории исключительно экспериментальные факты. Важно то, что Томсон, похоже, вновь принял открытую позицию, определенную в целях работы:

« 1. Показать, какие изменения следует сделать в выводах, к которым пришел Карно [...] в отношении движущей силы тепла, если принять гипотезу динамической теории [тепла], противоположную основной гипотезе Карно.

2. Показать значение в динамической теории числовых результатов, выведенных из наблюдений Реньо о паре и сообщениях [Королевскому] Обществу, вместе с докладом о теории Карно, автором данной статьи; и показать, что если связать эти числа [...] с механическим эквивалентом тепловой единицы, полученным Джоулем, можно получить полную теорию движущей силы тепла. [...]

3. Показать некоторые значительные отношения, которые связывают физические свойства всех веществ, полученные посредством рассуждения, аналогичного рассуждению Карно, но основанных частично на противоположном принципе динамической теории».

Томсон доказал, что «любая теория движущей силы тепла основывается на двух следующих пропозициях, которым мы обязаны, соответственно, Джоулю и Карно с Клаузиусом»:

«Проп. 1 (Джоуль). Когда равные величины механического эффекта производятся любой средой из любых тепловых источников или теряются в чисто тепловых эффектах, те же самые величины тепла исчезают или производятся.

Проп. 11 (Карно и Клаузиус). Если когда машина работает в обратную сторону, все механические и физические средства каждой части ее движений обратимы, то она производит из заданного количества теплоты такой же механический эффект, какой может произвести любая термодинамическая машина, с теми же самыми температурами источника и охладителя».

Первая из этих двух пропозиций — не что иное, как первое начало термодинамики, закон сохранения энергии: при любом, полном или частичном, преобразовании тепла в работу или наоборот сумма обеих величин остается постоянной. Однако Томсон не первым сформулировал этот закон. В том или ином виде его провозглашали многие исследователи, и никто не сомневался в его справедливости. Возможно, имеет смысл выделить двоих. Во-первых, это Джоуль, доказавший этот закон своими экспериментальными исследованиями. Во-вторых, это немецкий врач и физик Герман фон Гельмгольц (1821-1894), в 1847 году опубликовавший работу «О сохранении силы», в которой он на самом деле изучал сохранение энергии. (Понятия силы и энергии в то время четко не разделялись.)

Когда ты сталкиваешься с трудностью, ты стоишь на пороге открытия.

Уильям Томсон

Отправной точкой для фон Гельмгольца было отрицание возможности вечного движения, и он выдвинул гипотезу о том, что сумма всех энергий Вселенной (которую он считал конечной) постоянна. Более того, когда какая-то часть одного из видов энергии исчезает, это происходит потому, что она трансформируется в другой тип энергии в равнозначном количестве.

Фон Гельмгольц уже давно оставил теорию теплорода и не рассматривал теорию Карно. В своих работах он применял правила сохранения энергии не только для термодинамики, но и для механики, электростатики и магнетизма.

Вторую пропозицию Клаузиус, первенство которого в ее установлении Томсон полностью признал, доказал на основе следующей аксиомы: «Невозможно, чтобы машина, которая работала бы сама, без помощи какого-либо внешнего средства, переносила тепло от одного тела к другому при более высокой температуре». Томсон, в свою очередь, провозгласил аксиому в измененном виде: «Невозможно посредством какого-либо неодушевленного материального средства получить механический эффект из какой-либо порции материи, охлаждая ее ниже температуры самого холодного из окружающих объектов».