پیشینه ترمودینامیک

  

 مطالعه ترمودینامیک را مهندسین قرن نوزدهم آغاز کردند؛ آنها می خواستند بدانند قوانین فیزیک چه محدودیت هایی بر عملکرد ماشین های بخار و سایر ماشین های تولید کننده انرژی مکانیکی تحمیل می کنند. ترمودینامیک درباره تبدیل یک شکل انرژی به شکلی دیگر، به ویژه تبدیل گرما به سایر شکلهای انرژی بحث می کند...

سیر تاریخی علم ترمودینامیک بصورت زیر می‌باشد (کلیه تاریخ‌ها میلادی می‌باشند):

۱۷۹۸- کنت رامفورد (بنجامین تامسون) مطالعه تبدیل کار به گرما را طی آزمایش مشهور مته و تخته آغاز نمود.

۱۷۹۹- سرهامفری دیوی تبدیل کار به حرارت را با آزمایش سابیدن یخ مطالعه نمود.

۱۸۲۴- سعدی کارنو تئوری مشهور خود «بازتابی بر نیروی محرک آتش» منتشر نمود که در برگیرنده اصل جدیدی در باره تعریف چرخه و اصلی که توضیف کننده آن بود که چرخه بازگشت پذیر بین دو منبع حرارتی تنها به دمای منابع بستگی دارد و نه به موادکاری

۱۸۴۲- مایر اصل بقا انرژی را ارائه نمود.

۱۸۴۷- هلمهولتز اصل بقا انرژی را بصورت مستقل از مایر فروموله نمود.

۱۸۴۳-۱۸۴۸- جیمز پریسکات ژول با ترتیب دادن آزمایشاتی چهارچوب تجربی قانون اول ترمودینامیک را بنیان نهاد. امروزه به پاس این دانشمند بزرگ حرف J برای نمایش معادل مکانیکی کار استفاده می‌شود.

۱۸۴۸- لرد کلوین (ویلیام تامسون) واحد درجه حرارت مطلق را بر مبنای چرخه کارنو تعریف نمود.

۱۸۵۰- رودلف کلاوزیوس احتمالا به عنوان اولین کسی که به وجود دو قانون اساسی ترمودینامیک: قانون اول و قانون دوم ترمودینامیک پی برد.

۱۸۶۵- کلاوزیوس قوانین اول و دوم ترمودینامیک را در دو خط بیان نمود:

• انرژی جهان دارای مقدار ثابتی است.
• آنتروپی جهان تمایل به بیشینه شدن دارد.

۱۸۷۵- جوسایا ویلارد گیبز گزارش سرنوشت ساز خود «در برابری مواد ناهمگون» را که ترمودینامیک را به سیستم‌های ناهمگون و واکنش‌های شیمیایی بسط داد منتشر نمود. این گزارش اصل مهم پتانسیل شیمیایی را توصیف می‌نمود.

۱۸۹۷- ماکس پلانک قانون دوم ترمودینامیک را به صورت: «غیرممکن است بتوان موتوری ساخت که در یک چرخه کامل کار نموده و اثر دیگری غیر از بالا بردن وزنه و خنک نمودن یک منبع حرارتی داشته باشد.» بیان نمود.

۱۹۰۹- کاراتئودوری ساختار جدیدی از ترمودینامیک را بر مبنای جدیدی که کاملا فرم ریاضی داشت منتشر نمود. 

 

پدر علم ترمودینامیک 

این کار با مطالعه روابط بین پارامترهای صرفا ماکروسکوپی صورت می گیرد که رفتار سیستمهای فیزیکی را توصیف می کنند. این گونه توصیف ماکروسکوپی (و در مقیاس بزرگ)، لزوما تا حدی خام است، چرا که همه جزئیات کوچک مقیاس و میکروسکوپی را نادیده می گیرد. اما در کاربردهای عملی، این جزئیات اغلب مهم نیستند. برای مثال، مهندسی که رفتارهای گازهای حاصل از احتراق را در سیلندر یک موتور اتومبیل بررسی می کند می تواند با کمیتهای ماکروسکوپی همچون دما، فشار، چگالی و ظرفیت حرارتی کار خود را پیش ببرد.موتور درونسوز برای تبدیل یک نوع انرژی به نوعی دیگر ساخته شده است.در واقع دانشمندان به دنبال یافتن پاسخ این پرسش بودند که آیا می توان ماشینی ساخت که به طور دائمی کار مکانیکی انجام دهد. آنها مدتها بر روی این موضوع تحقیق کردند و تعدادی از محققین نیز طرحهایی برای این کار پیشنهاد نمودند. این طرحها محدودیتهای قوانین ترمودینامیک را رعایت نمی کردند. در این طرحها بدون انجام دادن کار انرژی گرفته می شد. هدف این بود که ابزار ساخته شده بدون مصرف هیچ گونه سوخت یا هر گونه انرژی ورودی دیگر، کار خروجی بی پایانی را تامین کند. در شکل میله های کوتاه لولا شده، که به میخ ها تکیه دارند، وزنه ها را به چرخ متصل می کنند. وقتی میله ها در وضعیت نشان داده شده هستند، عدم توازنی در توزیع وزن وجود دارد که موجب ایجاد یک گشتاور ساعتگرد خواهد شد که چرخ را در جهت نشان داده شده می چرخاند. طراح می پنداشت این گشتاور همیشگی است و نه تنها چرخش چرخ را حفظ می کند، بلکه به طور دائمی به محور آن انرژی می دهد. اما آنچه در عمل اتفاق می افتد اینست که پس از یک دور چرخیدن، جرم ها در یک وضعیت متعادل باقی می مانند و حرکت متوقف می شود. در این راه کوششهای فراوانی صورت گرفت، اما هیچکدام عملی نبود.
طرحهایی که عملاً با شکست رو به رو شدند. یافته های حاصل از آزمایشان نشان داد که ساختن چنین ماشینی غیر ممکن است. قانون اول ترمودینامیک نیز چیزی نیست، مگر بیان همین بقای انرژی.
اگر تنها راه تغییر دادن انرژی یک دستگاه، انجام دادن کار روی دستگاه و یا واداشتن دستگاه به انجام کار بود، مسئله ساده بود. هر کاری که روی دستگاه انجام می دادیم در نهایت به صورت انرژی مکانیکی پس گرفته می شد. دادن گرما به دستگاه هم سبب بالا رفتن دمای آن می شود و وقتی جسم به دمای اولیه اش بازمی گشت، گرمایی را که قبلا گرفته بود عینا پس می داد. به این ترتیب می شد از نوعی انرژی مکانیکی داخلی دستگاه سخن گفت که عبارت بود از جمع جبری کار انجام یافته به وسیله دستگاه و کار انجام شده روی آن؛ در کنار آن دستگاه دارای یک محتوای گرمایی بود، که از جمع جبری گرمای داده شده به دستگاه و گرمای گرفته شده از آن محاسبه می گردید.