Scurt istoric al termodinamicii - Blog de inginerie industrială
INTRODUCERE
Trebuie să facem o călătorie la sfârșitul secolului al XVII-lea și să contemplăm cum dezvoltarea motorului cu aburi a adus o schimbare tehnologică, economică și socială fără precedent. În mod curios, inginerii vremii perfecționau motoarele cu aburi, făcându-le din ce în ce mai eficiente, dar nimeni nu știa cu siguranță ce principii fizice erau date în acest tip de mașini și chiar, conceptul de căldură nu era foarte clar . La mijlocul secolului al XIX-lea, unele dintre aceste întrebări au găsit răspunsuri care, astăzi, sunt luate ca adevăruri absolute datorită oamenilor de știință precum James Prescott Joule și William Thompson pe care unii autori îl numesc, într-un mod oarecum poetic, ca descoperitori ai energiei.
De-a lungul următoarelor linii, vom aprofunda puțin ceea ce am decis să numesc „o scurtă istorie a termodinamicii”.
„MISTERUL” Căldurii
Dar bine, Ce este căldura? Au existat două mari paradigme care au coexistat de ceva timp. Pe de o parte, am avut oamenii de știință care credeau că sunt micile particule care alcătuiau materia în mișcare și, pe de altă parte, au fost acei oameni de știință care au urmat teoria electricității (secolul al XVIII-lea), care imagina căldura ca pe un „lichid imponderabil” într-un mod similar cu modul în care se vedea electricitatea în acel moment. Cu toate acestea, la sfârșitul secolului al XVIII-lea, Joseph Black, un renumit medic, fizician și chimist din Scoția a descoperit, cu ajutorul termometrului nou inventat, că temperatura unui corp ar putea fi măsurată, dar nu căldura a contribuit efectiv la aceasta. (Acest lucru se întâmplă, de exemplu, atunci când se topește gheața, deoarece căldura furnizată este "ascunsă" într-o mare măsură, deoarece dacă un termometru este plasat lângă un bloc de gheață care se încălzește pentru a se topi, temperatura blocului menționat rămâne fiind 0 ° C).
În 1780, Antonine-Laurent de Lavoisier și Pierre Simon Laplace, au dezvoltat un calorimetru de gheață . Cu acest „artefact” au măsurat căldura livrată de un corp. Mai exact, au putut verifica dacă un fragment de cupru și altul de lemn cu aceeași masă și temperatură, au topit o cantitate diferită de gheață.
În același timp, americanul Benjamin Thompson (citat frecvent ca contele de Rumford, datorită titlului nobiliar pe care îl deținea) care lucra în Germania, a crezut că a descoperit ce este căldura . El a susținut că căldura este mișcarea particulelor minuscule care alcătuiau materia.
CALDĂ ȘI MUNCĂ MECANICĂ
Ani mai târziu, deja pe deplin în secolul al XIX-lea, James Prescott Joule, Născut în Manchester (un oraș care la acea vreme era un punct de reper mondial la nivel tehnologic), uimit de motorul cu aburi, a avut ocazia să studieze unul dintre ele în profunzime, de când familia sa, care se dedica industriei berii, deținea unul. După o lungă perioadă de timp studiind această mașină, el a fost cu siguranță plictisit de subiect. De aceea a fost atras de un alt fenomen fizic: producerea de lucrări mecanice prin magnetism și electricitate .
Michael Faraday, inventase un motor electric în 1821 care ar servi drept prototip pentru a fi îmbunătățit în industrie ani mai târziu. Joule, a descoperit că motorul Faraday nu prea avea de făcut, atât din punct de vedere economic, cât și din punct de vedere al eficienței producției, în comparație cu motorul industrial cu aburi existent (consuma prea mult Zinc și zinc lichid). Tamburi). cu toate acestea , Joule a observat un fenomen curios: în timpul funcționării motorului electric, bateria și conductoarele electrice au suferit o încălzire foarte mare . Acest lucru l-a determinat să se întrebe dacă aceasta a fost cauza performanței slabe a motorului. Această îndoială l-a determinat pe Joule să efectueze experimente timp de câteva luni, constând practic în trecerea curentului electric prin fire metalice de lungime, grosime și material diferite. În același timp, el măsura căldura produsă și a ajuns la o concluzie foarte interesantă pe care astăzi o cunoaștem ca fiind Legea lui Joule: "Căldura produsă crește odată cu rezistența conductorului electric, pătratul intensității curentului și durata circulației acestuia".
Cu toate acestea, un alt om de știință care tocmai începea, scoțianul William Thomson, a fost atras de investigațiile lui Joule. Spre deosebire de Joule, Thompson a fost precedat de o oarecare faimă datorită poziției sale de profesor de științe naturale la Universitatea din Glasgow (funcție pe care a obținut-o la vârsta fragedă de 22 de ani). Thomson fusese întotdeauna interesat de istoria căldurii, de fapt, cercetările sale s-au concentrat mult timp pe compilarea de texte scrise de mână de către un cercetător francez: Nicolas Léonard Sadi Carnot .
În 1822, Carnot publicase o teorie cu privire la motorul cu aburi. Lui Carnot i-a plăcut ideea de a compara motorul cu aburi cu „forța apei”: la fel cum apa cade de la o anumită înălțime, acționând o roată de moară, într-un motor cu aburi, căldura ar curge de la o temperatură mai mare la una mai mică, el a ridicat, de asemenea, o analogie cu cantitatea de apă și căldură, deoarece, la fel cum cantitatea totală de apă este aceeași în moara de apă, nici căldura din motorul cu aburi nu ar suferi modificări. Carnot a subliniat că o anumită cantitate de căldură absorbită a trebuit să fie re-livrată întotdeauna după efectuarea lucrărilor mecanice . Adică teoria lui Carnot s-a bazat pe un circuit termic închis în care căldura este deja prezentă și, prin urmare, nu trebuia produsă.