Особенности методологии исследования изменения массы рабочего тела

Министерство образования и науки Российской Федерации

Калужский государственный университет имени К.Э.Циолковского

Кафедра философии и социологии

Курсовая работа

по истории и философии науки

тема: Особенности методологии исследования изменения массы рабочего тела

Калуга, 2013

Введение

В настоящее время быстрыми темпами развиваются многие науки, в том числе и физика. Создается множество технических устройств и приборов, находящих своё применение в различных областях. Современными техническими средствами, к которым можно отнести компьютеры, мобильные телефоны, телевизоры, бытовую технику и т.д., пользуются практически все слои населения от школьников до людей пенсионного возраста. Появление новых технических устройств в первую очередь связано с развитием такого направления в физики как нанотехнологии и наноинженерия. Но это направление не развивается само по себе, его развитие идет за счет открытий и исследований, проводимых в других областях физики, например в термодинамики, квантовой физике и т.д. Сейчас наука не стоит на месте, физическая теория развивается во всех своих направлениях. Я для своего дальнейшего образования и для дальнейшей научной деятельности выбрала такой раздел физики как термодинамика. Тема моего исследования «Диаграммы рабочего процесса при изменении массы рабочего тела». Перед тем как начать писать работу целесообразно вникнуть и разобраться в основных понятиях и законах термодинамики, познакомиться с историей развития данного направления физической науки, ознакомится с методами применяемыми в этой отрасли физики. Тема этого реферата «Особенности методологии изменения массы рабочего тела», она непосредственно связана с темой моего будущего исследования. Также при работе над данным рефератом я остановлюсь на рассмотрении методов, истории и современных проблем термодинамики, что поможет мне в дальнейшем, когда я перейду непосредственно к самому исследованию.

Глава I. Исторические аспекты термодинамики

§1. Основные понятия термодинамики

Термодинамика - один из разделов физики, изучающий закономерности взаимных превращений различных видов энергии. В классической термодинамики не рассматривается поведение и свойства отдельных молекул. Объектом изучения являются тела, которые состоят из большого числа атомов и молекул (материальных частиц), то есть макроскопические тела. А также «термодинамика включает в себя основы работы тепловых машин и позволяет оценить эффективность их рабочих процессов». «Предметом изучения термодинамики являются процессы в энергомашинах, агрегатные превращения веществ, физико-химические, плазменные и другие процессы».

В термодинамике используется такой термин как термодинамическая система, как правило, это и есть тела, состоящие из очень большого количества частиц. Термодинамические системы - тела, обменивающиеся между собой и окружающей их средой энергией и массой.

Система не обменивающаяся с окружающей средой массой (веществом) является закрытой. Такая система всегда переходит в равновесное состояние и не может самопроизвольно выйти из него. «Переход системы в равновесное состояние называют процессом релаксации». Примером закрытой (изолированной) системы является цилиндр с поршнем. Если системы обмениваются веществом с окружающей средой, то они называются открытыми, к ним относятся реактивные двигатели, сопло, вентиляционные шахты и т.д. «Открытая система (то есть способная черпать энергию извне) может поддерживать себя и тем самым становиться все более сложной. Поэтому отдельные части мироздания могут «разогреваться», тогда как Вселенная в целом, по определению являющаяся закрытой системой, «охлаждается»».

Вещество, при помощи которого осуществляется процесс преобразования энергии в различных тепловых машинах, называется рабочим телом. Или можем встретить иное определение рабочего тела - это «любая среда, которая используется для преобразования энергии». «Для измерения количества рабочего тела используют моли или киломоли. Киломоль - это количество вещества, масса которого в килограммах численно равна его относительному молекулярному весу. Масса одного киломоля вещества называется молярной массой этого вещества». Рабочим телом могут быть вещества находящиеся в жидком, газообразном или твердом состоянии.

В практической деятельности мы можем увидеть следующие примеры рабочих тел:

)        рабочее тело теплового двигателя - это продукт сгорания углеводородного топлива (бензин, дизельное топливо и т.п.) или водяной пар.

)        рабочее тело в холодильных машинах - фреон, аммиак, гелий, водород, азот.

)        «рабочее тело в лазерной технике - оптический элемент лазера».

)        «рабочее тело электрического ракетного двигателя - ионизированной расходуемое вещество».

Состояние, в котором находится рабочее тело, то есть «определить форму бытия системы» можно с помощью ряда параметров. Параметры состояния подразделяются на микроскопические и макроскопические параметры. «К микроскопическим параметрам относятся координаты и импульсы всех частиц составляющих систему. Макроскопические параметры - давление, температура, объем и др.». Также параметры характеризующие состояние систему можно подразделить на внешние и внутренние. «Величины, определяемые положением не входящих в систему внешних тел, называются внешними параметрами». К ним можно отнести объём системы, так как он определяется расположением внешних тел, и напряженность силового поля, которая зависит от положения источников поля - зарядов и токов, не входящих в исследуемую систему. Внешний параметр - это функция координат внешних тел. «Величины, определяемые совокупным движением и распределением в пространстве входящих в систему частиц, называются внутренними параметрам.

Плотность, давление, энергия, поляризованность, намагниченность и др. являются примером внутренних параметров, так как их значения зависят от движения и положения частиц системы и входящих в них зарядов». Внутренние параметры можно разделить на экстенсивные и интенсивные. «Экстенсивные параметры характеризуют систему как целое, а интенсивные могут принимать определенные значения в каждой точке системы». К интенсивным параметрам относятся - давление, температура, а к экстенсивным- энергия, энтропия.

§2. История развития термодинамики

Начало развития научных знаний о мире и окружающей нас действительности относится ещё к древнегреческим ученым, которые внесли важный вклад в развитие науки в целом и отдельных дисциплин в частности.

История развития отдельных научных направлений и науки в целом играет немаловажную роль в формировании научного мировоззрения.

«Выдающийся французский физик Поль Ланжевен говорил:

«Ничто так не способствует общему развитию и формированию сознания, как знакомство с историей творческих усилий человечества в области науки, оживающих в жизнеописаниях великих ученых прошлого и в истории эволюции идей.»».

Во второй половине 19 века, наука продвинулась уже далеко вперед в своём развитии и основывалась на фундаментальных знаниях. Некоторые ученые полагали, что в мире практически всё открыто, так как теория эволюции Дарвина и физика Ньютона являются надёжной базой для ответа на любой вопрос, разработанная А. Эйнштейном теория относительности, показала ограниченность ньютоновской физики. Примерно в этот же период времени и начинает бурно развиваться термодинамика и статистическая физика.

«Термодинамика явилась ареной острой идеологической борьбы». Дискуссии, которые возникали между сторонниками теории теплорода и молекулярно - кинетической теории, можно принять за начало развития термодинамики. «Теория теплорода основывалась на метафизической концепции невесомых флюидов, а молекулярная теория отражала физическую реальность. В 19 веке возникли такие идеалистические философские концепции как механицизм и энергетизм, сторонники которых вели непримиримую борьбу против последователей атомистического мировоззрения».

Ученые и философы с древнейших времен интересовались тепловыми явлениями, но кроме общих представлений, которые в большинстве случаев носили фантастический характер, ничего высказано не было. После изобретения первого термометра, это примерно 18 век, и начало развиваться учение о тепловых явлениях. С этого времени начинаются количественные тепловые измерения, которые доведены до высокой степени точности в опытах Лавуазье и Лапласа. «Однако основные количественные понятия теплофизики выкристаллизовались не сразу, существовала немалая путаница в таких понятиях, как «количество теплоты», «степень теплоты», «градус теплоты»».

Изначально господствовало два взгляда на теорию теплоты. Первая теория, её придерживался Блэк- теория особой тепловой жидкости (теория теплорода). Вторая концепция рассматривала теплоту как движение «нечувствительных частиц», сторонником этой точки зрения был Ломоносов.

Исследованием теплоты занимались не только физики, но и известные философы, такие как Бэкон и Декарт. Бэкон утверждал, что «тепло есть движение распространения, затрудненное и происходящее в малых частях». Декарт пришел к выводу, что «тело пламени... составлено из мельчайших частиц, очень быстро и бурно движущихся отдельно одна от другой», «только это движение в зависимости от различных производимых им действий называется то теплом, то светом».

В 18 веке, физику определяли, как науку о всём том, что можно познать через опыт, то есть в физике того времени господствовал экспериментальный метод. В 19 веке картина начала изменяться, про эксперименты и опыты никто не забывал, но помимо экспериментальной базы, физика стала дополняться теоретической системой (математикой). Ученые старались объяснить окружающий мир с помощью математических доказательств.

В первой четверти 19 века, были сделаны два крупных открытия теоретического характера. Первое исследование было произведено Жан Батистом Фурье. «Его работа «Аналитическая теория тепла» содержала математическую теорию теплопроводности». Вторая работа теоретического характера была выполнена Сади Карно его труд «Размышления о движущей силе огня». Работа стала началом термодинамики, им был введен в термодинамику метод циклов. Карно удалось сформулировать общий метод решения задачи - термодинамический метод, к этому способу он пришел, отталкиваясь от задачи подсказанной практикой.

Следующим шагом в развитии физики тепловых процессов был закон сохранения и превращения энергии. Всё большее внимание ученые уделяли изучению процессов превращения теплоты в работу, возникали и развивались идеи о взаимопревращаемости сил природы друг в друга. Исследованием эквивалентности теплоты и работы, а также законом сохранения и превращения энергии занимались такие ученые как Майер, Джоуль, Ленц. Майер и Джоуль пришли к открытию эквивалентности теплоты и работы независимо друг от друга, Джоулю и Ленцу удалось открыть закон сохранения и превращения энергии, также вне зависимости друг от друга и практически одновременно.

Следующий шаг в развитии термодинамики, является открытие второго начала термодинамики. Второе начало было сформулировано несколькими учеными, которые сделали это самостоятельно независимо друг от друга.

Второе начало термодинамики, сформулированное Клаузиусомв в 1850 году, звучит следующим образом: «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому не может происходить без компенсации»,

Томсон (1851 год): «невозможно получать при помощи неодушевленной материи работу от какой-либо части материи, охлаждая ее ниже температуры наиболее холодного из окружающих тел. Он признал, что этот постулат лишь по форме отличается от постулата Клаузиуса».

Шиллер: «При обратимом адиабатном процессе каждый термический параметр рассматриваемого тела должен принять свое первоначальное значение, когда все остальные термические параметры тоже приходят к своим начальным значениям».

Когда было признано, что теплота это движение, науке необходимо было исследовать характер этого движения. В ходе решения поставленной проблемы возникла и начала развиваться кинетическая теория газов, далее эта теория превратилась в новую область физической науки - статистическую физику. термодинамика субстанция синергетика взаимодействие

В 17-18 веках широко использовалось атомистическое представление о строение вещества. Во второй половине 18 века атомистическую гипотезу перестают использовать, в начале 19 века вновь возвращаются к этой гипотезе.

Дальтон, руководствуясь атомистической гипотезой, вывел закон кратных отношений. Он исследовал смеси газов и паров, на основании этого ввел закон независимости парциальных давлений компонентов смеси, установил закон теплового расширения газов. Им было введено в химию понятие атомного веса, также он первым составил таблицу атомных весов и ввел химическую символику.

Клаузиусом была разработана модель идеального газа, он рассматривал теплоту как движение атомов и молекул. В газе молекулы участвуют в поступательном, вращательном движении, а также могут обладать внутренним движением- движением частей молекулы. Им была выведена формула для определения давления, оказываемого молекулами на стенки сосуда. Им были рассмотрены такие явления как кипение, конденсация газов, он указывал на возможность подсчета скорости газовых молекул какого-либо газа при данной температуре и сам произвел такой расчет.

Работа Максвелла «Пояснение к динамической теории газов» внесла немалый вклад в развитие кинетической теории. Он впервые вывел закон распределения скоростей молекул, рассматривает вопросы о длине свободного пробега молекул газа, о внутреннем трении и о диффузии газов, а также затрагивает вопрос о молекулярном толковании теплоемкости газов.

Дальнейшее развитие кинетической теории газов и кинетической теории теплоты связано с именем австрийского физика Л. Больцмана. Он привел усовершенствованный вариант доказательства закона распределения скоростей молекул газа, также вывел уравнение для идеального газа и первым доказал Н-теорему, согласно которой идеальный газ, находящийся изначально в нестационарном состоянии, самостоятельно со временем переходит в состояние равновесия. Своё доказательство Больцман истолковал как доказательство статистического характера второго начала термодинамики.

Ван-дер-Ваальс разработал первую теорию реальных газов, он учитывал размер молекул и силы, действующие между ними. Его теория давала один из способов определения размеров молекулы.

В 80-х годах представили ещё один метод определения размеров молекул, он связан с измерением диэлектрической постоянной газов. «Используя теорию электрической поляризации, Дорн определил размеры молекул некоторых газов».

Гиббс в своей работе «Основные принципы статистической механики» развил метод, применяемый Максвеллом и Больцманом. Он рассмотрел статистическую механику как особый раздел физико-математических наук. Задача статистической механики - исследование поведения ансамблей, которые состоят из механических систем. «Ансамбль Гиббса - это континуум одинаковых систем, распределенных в фазовом пространстве Γ с плотностью вероятностей ρ_t. Этот ансамбль можно рассматривать как сплошную среду, состоящую из невзаимодействующих частиц». Им были изучены свойства канонических ансамблей, разработана теория флуктуаций.

Ещё одним важным вопросом связанным с развитием термодинамики и статистической физики, был вопрос о тепловой смерти вселенной. Клаузиус и Томсон считали возможным распространить второй закон термодинамики на всю вселенную и пришли к выводу о её тепловой смерти. Многие ученые не соглашались с их точкой зрения. Критиками данной теории был Чернышевский, Энгельс, Аррениус, Больцман и другие. Толмен показал, что с точки зрения теории относительности применение термодинамики ко всей вселенной не приводит к её тепловой смерти.

« История термодинамики и статистической физики обладает большими возможностями, термодинамика занимает особое место, как по общности своих основных принципов, так и по значению в технике и технологии.»

Воспитательное значение термодинамики связано с тем, что методологические и философские вопросы, возникающие в связи с открытием и развитием принципов термодинамики, способствовали правильному пониманию природы тепловых явлений и оказывали большое влияние на формирование фундаментальных представлений современной физики.

«Термодинамическая картина мира стала важным дополнением механицистской картины, когда обнаружилось что одна классическая механика не в состоянии удовлетворительно объяснить ряд физических явлений».

Глава II. Философско-методологические аспекты термодинамики

§1. Методы термодинамики

Метод - это способ познания, исследования явлений. В широком смысле «метод - это способ действия, осуществление определенно деятельности, достижения какого-либо результата, решения задачи».

Для исследования изменения массы рабочего тела, то есть для изучения вещества, с помощью которого осуществляется процесс преобразования энергии в тепловых машинах, применяют два метода, различных и взаимно дополняющих друг дуга. Это статистический или молекулярно - кинетический и термодинамический. Рассмотрим более подробно каждый из методов.

«Сущность статистического метода изучения явлений соответствует положению диалектического материализма о соотношении необходимого и случайного» . Используя этот метод можно проникнуть в физическую сущность установленных практически (экспериментально) законов и оценить границы применимости этих законов, а также можно теоретически рассчитать термохимические свойства молекул. «Данный метод основывается на том что свойства макроскопической системы в конечном счете определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и усредненными значениями динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии и т.д.)». Примером может случить то, что температура тела определяется скоростью хаотического движения молекул в теле. В любой момент времени скорости разных молекул различны, поэтому температура выражается через среднее значение скорости движения молекул.

В основе данного метода лежит модель, которая описывается с помощью уравнений теории вероятности и математической статистики, то есть математическую основу составляет теория вероятности и статистика. При использовании этого метода необходимо владеть такими важными понятиями как: «случайное событие», «вероятность», «статистическое распределение», «среднее значение случайной величины».

Случайное событие - событие которое может наступить, а может и не наступить. Его можно охарактеризовать следующими признаками:

1)   невозможностью однозначного предсказания случайного события;

2)      наличием большого числа причин, обусловливающих случайное событие;

3)      предсказуемостью хода процесса в массовом коллективе случайных событий;

4)      вероятностью события как математического выражения возможности предсказания процесса.

«Статистической вероятностью события А называется относительная частота появления этого события в n произведенных испытаниях, т.е.

(A)=w(A)=m/n

где Р(А) - статистическая вероятность события А; (A) - относительная частота (частость) события А; - число испытаний, в которых появилось событие А:

n - общее число испытаний».

Статистическая вероятность - характеристика опытная, экспериментальная. Р(А) - доля фактически произведенных испытаний, в которых событие А появилось.

Функция статистического распределения - это плотность вероятности в фазовом пространстве. С помощью формулы

,

можно найти вероятность нахождения системы в элементе фазового пространства. - функция статистического распределения, где t- время , q- координата, p- импульс частицы.

Виды статистические распределений:

. распределение молекул по объёму;

. распределение молекул по скоростям -распределение Максвелла;

. распределение молекул по потенциальным энергиям - распределение Больцмана;

. закон равномерного распределения энергии по степеням свободы.

«Среднее значение случайной величины - характеристика статистического распределения, для большого числа частиц среднее значение случайной величины постоянно». Скорость движения молекул, давление газа на стенки сосуда обычно рассматриваются как средние значения случайной величины.

Возникновение и развитие статистического метода связано с изучением внутреннего строения вещества. Статистические и вероятностные законам подчиняется поведение всех микрообъектов, а также они используются в настоящее время для изучения элементарных частиц.

Термодинамический метод описания процессов и явлений опирается на данные опытов и наблюдений, а также на законы термодинамики. При использовании этого метода «исследователь абстрагируется от дискретной сущности вещества и конкретных путей перехода, все основные законы поведения макросистем устанавливаются экспериментально». Термодинамика - феноменологическая теория, изучаемые свойства связаны с превращением энергии и не рассматривается внутреннее строение. «Термодинамика ничего «не зная» о внутреннем движении, вынуждена постулировать его наличие, приписывать ему определенную энергию, делать какие-то заключения о его свойствах и макроскопических характеристиках».

В основе метода лежат следующие понятия: «термодинамическая система», «состояние термодинамической системы», «термодинамические параметры состояния» и «равновесное состояние».

Понятия термодинамической системы и термодинамические параметры описаны ранее в пункте «Основные понятия термодинамики». Состояние в котором находится система может быть равновесным и неравновесным. Если параметры системы неизменны во времени и одинаковы в пространстве, то такое состояние системы называется равновесным. Термодинамика изучает в основном равновесные состояния. Если система находится в неравновесном состоянии следовательно и параметры состояния меняются с течением времени.

Применяя термодинамический метод «отказываются от излишней детализации явлений (а именно от строгого описания поведения всех частиц, составляющих макросистему), открывает реальный путь для практических вычислений». Число исходных констант значительно меньше, чем при использовании статистического метода. В результате получают ответы на такие важные вопросы как:

1. При каких условиях - температуре, давлении, начальных количествах исходных веществ требуемый материал устойчиво существует; то есть при каких условиях следует получать (синтезировать) требуемое вещество.

. Какая часть исходных веществ превратится в требуемый материал; каков будет выход процесса получения требуемого материала.

. Будет ли устойчив какой-либо материал (вещество) при эксплуатации в требуемых условиях: температуре, давлении, химическом составе окружающей среды; можно ли его использовать как стойкий конструкционный материал.

. Если материал не совсем устойчив к физико-химическому воздействию окружающей среды, то какие продукты и в какой пропорции будут получаться в результате такого воздействия.

Термодинамический метод можно использовать в различных областях физики и химии других наук. «Метод несколько ограничен, термодинамика лишь устанавливает связи между макроскопическими свойствами вещества». «Сама по себе термодинамика не может дать каких-либо сведений о свойствах вещества. Но если известны некоторые данные о свойствах веществ или систем, то термодинамические методы позволяют получить интересные и важные выводы».

Термодинамический и статистический методы взаимно дополняют друг друга. Статистический метод опирается на теоретические расчеты и математику, термодинамический - на опыты и эксперименты. На мой взгляд, при исследовании наиболее лучшим вариантом является сочетание и того и другого методов. При использовании двух методов исследователь получит наиболее полную картину исследуемого процесса, объекта или явления. Основываясь только на термодинамическом методе, можно прийти к ошибочному выводу в результате погрешностей допущенных при выполнении опытов. С помощью математики, возможно, смоделировать и рассмотреть условия, не встречающиеся в окружающем нас мире. «Математика позволяет сформулировать интуитивные идеи и гипотезы в форме, допускающей количественную проверку. Возможность проверки гипотез, лежащих в основе законов, составляет главную ценность математики как инструмента познания физического мира». «Используя математический аппарат и опираясь на мысленное рассмотрение связей между объектами, можно получить на основе главных признаков указанных объектов новые их признаки и свойства». Если исследователю удастся подтвердить результат полученный практикой теоретически и математически, то его труд заслуживает высокой оценки.

§2. Методология Канта и термодинамика

Кантом был открыт метод построения научного знания на примере механики, в результате чего была создана методология, пригодная для других разделов физики.

Согласно Канту, существуют всеобщие законы природы, они априорны и объективны. Этим законам подчиняются объекты физической теории. Законы превращаются в различные схемы, которые в дальнейшем применимы при обработке чувственного материала.

Всеобщие законы природы трансцендентальны, то есть в физике, только на их основе возможно перейти от незнания к знанию.

На современном физическом языке законы Канта будут формулироваться следующим образом:

1.    «Закон состояния (или закон постоянства субстанции). Каждый концептуальный объект физической теории обладает состоянием, субстанция которого (функция состояния) задается акциденциями (параметрами состояния), причем состояние не изменяется само собой (без причины). Другими словами, количественная мера состояния концептуального объекта физической теории без причины не изменяется».

2.      «Закон связи причины и действия. Причина изменения состояния количественно всегда равна своему действию (изменению функции состояния), но не тождественна ему».

3.      «Закон взаимодействия. Каждому изменению состояния концептуального объекта физической теории всегда есть равное и противоположное изменение состояния другого объекта, между этими объектами осуществляется взаимодействие, причем способ действия всегда такой же, как и способ противодействия».

Рассмотрим теперь можно ли применить методологию Канта к термодинамике. Термодинамика изучает внутреннее состояние материальных объектов и его изменение. Термодинамику интересует что происходит внутри тела (исследуемого объекта). Ни при каких условиях мы не можем рассматривать тело как материальную точку.

Часть пространства не нулевого объема заполненная материей, является моделью применяемой в термодинамике. Моделью материи будет сплошная среда. Масса определяется как величина, равная произведению плотности материи на объём. Плотность здесь понимается как степень заполненности пространства материей, а не как масса деленная на объем. Введем эталон плотности, принятый за единицу плотности. «Пусть им окажется плотность некоторого выбранного материала, размещенного в данном объеме при данных условиях. Тогда при распределении того же самого количества материи в объеме, увеличенном в N раз, получим плотность материи в N раз меньшую».

Материальной системой называется часть пространства заполненного сплошной средой. Система называется термодинамической если её состояние можно задать конечным набором параметров. Система может находится в равновесном и неравновесном состоянии.

«Модель сплошной среды заставляет рассматривать такие характеристики материальной системы, как объём и плотность, с принципиально иных позиций». Понятие плотности является первичным по отношению к понятию массы системы. «В модели сплошной среды масса определяется через интегрирование по объему:

M=,

где -  плотность среды».

Объём является параметром состояния. Плотность в случае однородной термодинамической системы, так же является параметром состояния системы. «Параметров состояния должно быть минимум два, иначе акциденция и субстанция окажутся неотличимыми друг от друга». Одним из параметров будем объем, а вторым энтропия, так как параметр, который вместе с объемом характеризует внутреннее состояние системы, должен быть однозначной и монотонной функцией времени.

Изменение энтропии при других неизменных параметрах когда-либо должно прекратиться или стать бесконечно медленным. Если существует причина для изменения энтропии, значит система неоднородна, то есть её части неравноправны. Со временем неоднородность между частями должна сглаживаться в результате их взаимодействия между собой. Энтропия - возрастающая функцию времени следовательно она достигнуть насыщения (максимума). Такое состояние системы называется термодинамическим равновесием. «Субстанцию (функцию) внутреннего равновесного состояния назовем равновесной внутренней энергией. Мы пришли к положению, с которого начинается мышление о внутреннем состоянии сплошной среды, к нулевому началу термодинамики. При неизменном объеме и постоянных внешних условиях энтропия термодинамической системы достигает максимального значения, и система приходит в равновесное состояние с равновесной внутренней энергией».

Если система находится в состоянии равновесия, то её состояние можно задать объемом и равновесной энтропией. То есть внутренняя энергия системы, есть функция объема и энтропии. «Поэтому можно записать:

,

где U - равновесная внутренняя энергия, V - объём, S - равновесная энтропия». Мы видим, что изменение внутренней энергии связано с изменением объема при постоянной энтропии и с изменением энтропии при постоянном объеме. Следовательно, есть два способа изменения внутренней энергии, работа и теплопередача. «В этом заключается второе положение, назовем его объединенным (первое объединяется со вторым) началом термодинамики».

Окружающую исследуемую систему среду, мы также можем рассматривать как систему. Между системой и окружающей средой происходить взаимодействие, которое приводит системы к новому равновесному состоянию. Объемом и энтропией задается начальное состояние каждой из систем. Объем остается постоянным, меняется только энтропия. «Общая субстанция состояния количественно остается постоянной. Поэтому:

Эти утверждения надо признать третьим основным априорным положением термодинамики».

Сейчас рассмотрена только феноменологическая термодинамика, которая не имеет дела с атомно-молекулярным строение вещества. Актуальной задачей остается рассмотрение соотношения феноменологической термодинамики и статистической механики.

§3. Современные проблемы термодинамики

Развитие физики и её приложений, в основном в области нанотехнологий связано с возрастанием интереса к изучению хаотических систем. Для таких систем в состоянии теплового равновесия или вблизи него существенны флуктуации физических величин. Нельзя сказать, что данный вопрос изучен полностью. Описание собственно термодинамических флуктуаций физических величин, характеризующих макросистему в тепловом равновесии или вблизи него, по существу отсутствует.

Существует два подхода к описанию термодинамических флуктуаций, это подход Гиббса и Эйнштейна. Анализ подходов позволяет получить следующие важные результаты:

)        «В рамках подхода Гиббса сформулировано корректное определение давления и сжимаемости как квазидинамических величин, характеризующих макросистему с конечным объемом». На основании этих определений «построено обобщение теорем Боголюбова - Зубарева и Гельмана - Фейнмана, связывающее общее выражение для давления с конкретным видом функции Гамильтона или Гамильтона макросистемы» .

)        «В рамках подхода Эйнштейна предложен статистический метод вычисления корреляционных функций флуктуаций экстенсивных и интенсивных термодинамических параметров и способ установления связи между дисперсиями макропараметров, входящих в термодинамическое уравнение состояния».

Большое внимание в данном направлении физики уделялось описанию природы на микроуровне, сопоставление двух различных подходов дает возможность описания как на микроуровне, так и на макроуровне.

С бурным развитием нанотехнологий также связан большой интерес к исследованию кластеров и кластерных пучков. Кластеры - промежуточное звено между отдельными элементарными частицами и объемной жидкостью или твердым телом. Именно поэтому, актуальными становятся вопросы связанные с изучением кластерной температуры и методами её изменения, а также фазовые переходы в кластерах.

В настоящее время установлено, «что внутренняя температура кластеров является важной характеристикой, от которой зависят многие свойства кластеров, в том числе поляризуемость, магнитный момент, потенциал ионизации, оптический отклик, структура и конфигурация кластеров, фазовое состояние».

С помощью методов измерения температуры кластеров, к которым относятся дифракция электронов, регистрация равновесного излучения, измерение кинетической энергии фрагментов, образующихся при распаде кластеров, испарительное охлаждение и т.д. с хорошей точностью определяется значение кластерной температуры.

«Методы возбуждения кластеров (лазерное возбуждение, электронный удар и др.) позволяют получить кластеры, характеризующиеся высокой внутренней температурой (10³-10⁸К) и сформировать кластеры благородных газов и молекулярные кластеры с низкой температурой (10^-3-10²К)».

Получаемая в сопловых источниках верхняя предельная температура больших ван-дер-ваальсовых кластеров определяется энергией связи атомов в кластерах. Используя газ-носитель с низкой энергией связи, в сопловых источниках могут быть получены кластеры, которые имеют меньшую температуру, чем та, которая определяется энергией связи.

«Температура и теплота плавления кластеров уменьшаются с уменьшением их размера» . Более высокую температуру и теплоту плавления имеют кластеры с полностью заполненной электронной оболочкой.

«Анализ результатов компьютерного моделирования кластеров методом молекулярной динамики при различных условиях дает детальное представление об эволюции кластера по мере изменения его температуры или энергии возбуждения».

Большое внимание уделяется изучению кластеров из 13 атомов, которые имеют одно твердое и одно жидкое агрегатное состояние. В результате моделирования таких кластеров (изолированных и изотермических) составлена простая модель характеризующая поведение кластера в области динамического сосуществования фаз. «Агрегатные состояния отвечают конфигурациям атомов в кластере, соответствующим локальным минимумам поверхности потенциальной энергии, а фазовый переход соответствует конфигурационному возбуждению кластера, связанного с переходом между локальными минимумами поверхности потенциальной энергии». Так же сейчас для таких кластеров проанализирована температурная зависимость энтропии перехода в области сосуществования фаз.

«Фазовый переход твердое тело - жидкость в кластерах сложный по сравнению с аналогичным переходом в макроскопическом веществе. Отличительными особенностями фазового перехода являются сосуществование твердой и жидкой фаз в некоторой разграниченной области температур и возможность сосуществования теплоёмкости кластера вблизи точки плавления».

В наши дни успешно разрабатывается такое направление, как синергетика Г.Хакена, относящееся к неклассической термодинамике. Это направление основывается на статистической физике и объединяет методы, идеи и модели из различных областей естествознания. Ученые пришли к выводу, что физический и динамический хаос, носит и разрушительный, и созидательный характер. «Необратимые процессы далеки от термодинамического равновесия и могут реализовываться через неравновесные фазовые переходы, нелинейные эффекты порядка и самоорганизации». «Синергетика направлена на изучение энергетических состояний, физики колебаний, волнообразования на микроуровне, определение базового характера эволюционного развития сложной структуры на макроуровне в космологии, физике, химии, биологии, математике».

Разбегание галактик, открытое Хабблом послужило толчком к рассмотрению открытой Вселенной. «Открытая вселенная развивается путем становления, неустойчивости, необратимости».

Человек, представляет собой сложную систему. «Движение внешних гармоник сущего, которые он может нарушить, а может и оптимизировать - жизнепоток природы». Природный жизнепоток - самонастраивающееся явление, синергическое». Иными словами, человек - сложная открытая саморегулирующаяся энергетическая система, тесно взаимодействующая с космической энергетикой всей Вселенной.

Ч - часть

Е- энергии

Л - Любови

О - Отца

В - Высшего,

Е - эволюционирующая (в)

К - Космосе.

Современное естествознание, развивается на основе термодинамики и синергетики открытых систем. «Ближайшая перспектива исследований образований во Вселенной сводится к установлению их энергетической взаимосвязи с неорганической и биологической микро- и макроструктурой на Земле, выявлению значимости человека в ноосфере». Интересным в данное время является так же вопрос изучения синергетических эффектов, примером может служить - эффект деформационного отклика термодинамических открытых систем металл-водород. Появление синергетики оказывает влияние не только на физические науки, но и «позволило сформулировать постнеклассическую парадигму науки» в философии.

Заключение

В данной работе были рассмотрены два метода используемые в термодинамики, которые так же применимы к исследованию диаграмм рабочего процесса, это статистический и термодинамический методы. Статистический метод опирается на теоретические обоснования, на математические выводы, термодинамический основывается на проведение опытов, экспериментов. При использовании двух методов исследователь получает наиболее ясную, точную, достоверную и полную картину исследуемого явления или процесса, с уверенность можно сказать, что эти методы взаимно дополняют друг друга. К сожалению маловероятно, что одному ученому придется воспользоваться обоими методами, так как над решением какой-либо одной физической проблемы трудятся целые коллективы ученых и нередко их труд продолжается многие годы. Один коллектив начинает работу по какой-то проблеме, проводит эксперименты, затем через несколько лет или даже через несколько десятилетий другие ученые подкрепляют полученный практикой материал теоретическими выводами, то есть дают ему теоретическое обоснование и т.д.

Также рассмотрены основные понятия термодинамики, без которых трудно вникнуть в суть рассмотренных методов. Изучена история развития термодинамики и молекулярной физики и актуальные проблемы физической теории, имеющие непосредственное отношение к термодинамике. При рассмотрении история развития данной отрасли физики в основном уделялось внимание ключевым и наиболее важным моментам. В работе показано построение термодинамики на основе метода предложенного Кантом. Кантом была предложена методология, которая применялась к механике, сейчас появляются работы, в которых показывается применимость кантовской методологии к другим отраслям физики. Проанализировав статьи, касающиеся современных проблем термодинамики, можно сделать вывод, что этот раздел физики неразрывно связан с другими, например, такими как наноинженерия, физика твердого тела и т.д.

В результате работы над рефератом я ознакомилась с философско-методологическими аспектами, касающимися тематики моего будущего исследования.

Список литературы

1.   Базаров И.П. «Термодинамика». М.: Высшая школа,1991,376 стр.

.     Бэкон. Ф. «Новый органон (Первый сбор плодов для формы теплоты)»- электронная версия.

3.   Василевский А.С., Мултановский В.В. «Статистическая физика и термодинамика»: Учебное пособие для студентов физ.-мат. фак. пед. ин-тов.-М.:Прочвещение,1985.-256с,ил.

4.   Гельфер Я.М. «История и методология термодинамики и статистической физики»: Учеб. пособие.-2-е изд.перераб. и доп.-М.:Высшая школа,1981.-536с,ил.

.     Грязнов А.Ю. «Кантианская методология и основания термодинамики» - электронная версия.

6.      Декарт Р. Сочинения. «Мир, или трактат о свете» - электронная версия.

.        Журнал «Вопросы философии» №1, 1990. Философия и наука, Мигдал А.Б. Физика и философия. с. 5-32.

.        Журнал «Успехи физических наук». Том 170,№12,с-1291 Ю.Г.Рудой, А.Д.Суханов. Термодинамические флуктуации в подходах Гиббса и Эйнштейна.

10.    Журнал «Успехи физических наук».Том180,№2 Г.Н.Макаров. Экспериментальные методы определения температуры и теплоты плавления кластеров и наночастиц.

.        Зайцев А.К. Школа развития творческих возможностей - электронная версия.

.        Зайцев А.К. - Философия ведической цивилизации. - Калуга :ИД «Эйдос»,2005-308с.

.        Зайцев А.К. - Философия космического сознания - Калуга, 2001-электронная версия

14. Кириллин В.А Сычев В.В Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. 4-е изд. - М.: Энергоатомиздат. - 1983. - 414 с.

15.    Козлов В. В. Ансамбли Гиббса и неравновесная статистическая механика. -Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2008. - 204 с.

16. Кремер Н.Ш. Теория вероятности и математическая статистика: Учебник для вузов. - 2-е изд.,перераб. и доп.-М.:ЮНИТИДАНА,2004.-573 с.

17. Кудрявцев И.С. «Курс истории физики» (электронная версия книги).

18.    Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. «Статистическая физика» в двух частях. -М.:ФИЗМАТЛИТ,2004.-496с.

.        Новая российская энциклопедия. в 18 томах, М.: ООО «Издательство «Энциклопедия» 2012-480с. ил.том 10(2)с-327)

20. Основные законы термодинамики. Н. Шиллера. - электронная версия

21. Поспелова О.В., Янковская Е.А. «Философия и методология науки». Учебное пособие для аспирантов. Архангельск, 2012.

.     Сапожников С.З.,Китанин Э.Л. Техническая термодинамика и теплопередача. Учебник для вузов. СПб.:Изд-во СПбГТУ, 1999, 319с.

23.    Кузьмич В.Д., Бородулин И.П. «Тепловозы: Основы теории и конструкции», 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Транспорт, 1991.-352 с.

.        Скородумов В.Ф.,Шепелев А.В. «Молекулярная физика и термодинамика», - Москва, 2006,49с.

25. Современные наукоемкие технологии №4,2008. В.В.Вапняр. Актуальные проблемы термодинамики и синергетики открытых систем в современном естествознании.

26. Спасский Б.И. «История физики», в двух частях, Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е,перераб. и доп. М, Высш. Школа,1977.

27.    Степин В.С. «Теоретическое знание». Москва, 1999

.        Томпсон М. «Философия науки» - Пер. с англ. А. Гарькавого. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2003. - 304 с. - (Грандиозный мир)

.        Трофимова Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов - 11-е изд.,стер.-М.:Издательский центр «Академия»,2006.-560с.

30. Хвольсон О.Д. Курс физики Том третий, избранное: Теплота и начала термодинамики Издание К.Л. Риккера, 1897

31. Электронный ресурс- http://www.kaf9.mephi.ru/thermodynamics/textbook/files/P_1_1.htm

32. Электронный ресурс - http://www.mpf.uni-altai.ru/?page=900(молекулярная физика)

.     Электронный ресурс - http:/ru/Wikipedia.org/wiki/Рабочее_тело