Оригінал: https://faculty.wcas.northwestern.edu/infocom/Ideas/thermodate.html
1643 рік – Сифон — це заповнена рідиною трубка, яка дозволяє рідинам вищого рівня текти на нижчий рівень. Як показано ліворуч, сифон працюватиме, навіть якщо рідина спочатку повинна текти вгору, перш ніж вона зрештою спуститься вниз. Сифон — це зручний спосіб перемістити рідину через бар’єр без праці та без перекачування. Сифони широко використовувалися за часів Галілея, наприклад, для викачування води з шахт.
Але є одна серйозна проблема з відкачуванням води. Водяний сифон працюватиме лише в тому випадку, якщо висота бар’єру, через який ви переходите, менше 33 футів. Окрім цього, ви не отримуєте жодного потоку. Арістотель пояснив цю межу, заявивши, що «природа ненавидить вакуум», тобто Арістотель не думав, що вакуум може існувати. Таким чином, висмоктування повітря з трубки призвело б до того, що будь-яка рідина, яка там була, втягувалася б в порожнечу, оскільки природа повинна діяти, щоб запобігти вакууму. Межа в 33 фути являла собою максимальну силу, яку вакуум міг чинити на воду, на думку Аристотеля.
У 1643 р. Євангеліста Торрічеллі, який навчався під керівництвом Галілея, почав задаватися питанням, чи межа в 33 фути пов’язана більше з вагою повітря поза сифоном, ніж із передбачуваною силою вакууму всередині сифону. Чи могло бути так, запитував Торрічеллі, що стовп води заввишки 33 фути мав таку саму вагу, як стовп повітря, що тягнеться до верхньої частини атмосфери Землі? Якщо так, то те, що сифон насправді являє собою терези – так само, як ваги в продуктовому магазині - за винятком ваги земної атмосфери з одного боку та води в частині сифону, що тече вгору.з іншого. Торрічеллі міркував, що якщо вага земної атмосфери буде більшою, ніж вода в частині, що тече вгору, то повітря може виштовхнути воду через бар'єр і сифон потече. Але якби вага атмосфери була меншою за вагу води, тоді повітря не могло б підняти її достатньо високо, щоб очистити бар’єр, і тому сифон не текла б.
Торрічеллі вирішив перевірити свою теорію, замінивши воду ртуттю, важким (і токсичним) рідким металом, який у 13,6 разів щільніший за воду. Якби вага рідини мала значення, тоді ртутний стовпчик піднімався б у 13,6 разів менше, ніж вода, або приблизно на 33 / 13,6 = 2,5 фута.
Торрічеллі взяв шестифутову трубку, наповнену ртуттю, і перевернув її догори дном у чашу з ртуттю. (Див. ілюстрацію праворуч.) Звісно, ртуть у трубі НЕ залишалася на висоті шість футів, а миттєво впала на рівень приблизно 2,5 футів над чашею, відповідно до того, що мав відбутися Торрічеллі. Отриманий у результаті 3,5 футів порожній простір над ртутним стовпчиком у трубці мав бути вакуумом, тому що не було жодної можливості потрапити всередину. Це довело, що Арістотель помилявся, вважаючи, що вакуум неможливий.
Пізніше Торрічеллі помітив, що висота ртутного стовпа незначно змінюється з дня на день, що він правильно пояснив коливаннями атмосферного тиску. Він винайшов барометр. До цього дня метеорологи все ще повідомляють про добовий атмосферний тиск у дюймах, сантиметрах або міліметрах ртутного стовпа.
1645 рік – Отто фон Геріке, мер Магдебурга, Німеччина, а колись фізик, дізнався про роботу Торрічеллі та винайшов перший повітряний насос. Він використовує його, щоб евакуювати скляну банку та продемонструвати, що пір’їна та кулька справді падають у вакуумі з однаковим прискоренням, як передбачив Галілей.
1648 рік – Блез Паскаль, французький математик і фізик, чиє здоров’я не міцне, умовляє свого зятя віднести барометр на вершину найближчих гір, щоб побачити, чи опуститься ртутний стовпчик. Це робить. Це додатковий доказ думок Торрічеллі про атмосферний тиск.
1654 рік – фон Геріке влаштовує грандіозне шоу для імператора Священної Римської імперії Фердинанда III, як показано тут, де дві латунні напівсфери діаметром близько чотирьох футів поєднані разом, а всередині створюється вакуум за допомогою насоса фон Геріке. Дві упряжки коней не можуть роз’єднати кулі, але кулі буквально розсипаються, коли фон Геріке відкриває запірний кран і впускає повітря назад. Імператор вражений.
Оскільки тиск = сила на одиницю площі (P=F/A), ми можемо легко зрозуміти, чому коні зазнали невдачі. Загальна сила, що діє на сфери, дорівнює F = PA, і в цьому випадку ми маємо:
P = тиск земної атмосфери = 14,7 фунтів/дюйм 2
A = площа поверхні сфери = 4 
= 4(3,14)(24 дюйми) 2 = 7234 дюймів 2
F = (14,7 фунтів/дюйм 2 )(7234 дюймів 2 )/(2000 фунтів на тонну) = 53 тонни
(Насправді, з причин, пов’язаних із векторним додаванням сил навколо сфери, коні мали б лише поставити половину з 53 тонн, щоб розібрати сфери, але неважливо. Основна ідея правильна.)
1662 рік – Роберт Бойл, шотландський фізик, проводить експерименти, поміщаючи повітря в герметичний циліндр, а потім встановлюючи на нього тягарці. Він виявляє, що якщо він подвоює вагу повітря, то воно займає половину об’єму; якщо він потроює вагу, вона займає третину об'єму і т. д. Іншими словами:
PV = постійна, де P - тиск газу, а V - об'єм, зайнятий газом. Це стає відомим як закон Бойля. Бойл припускає, що повітря складається з атомів із порожнім простором між ними, і що стиснення можливе, оскільки атоми притискаються ближче один до одного.
1679 рік – Дені Папен, французький фізик і гурман-любитель, винаходить скороварку. Високий тиск всередині плити створює перегріту пару – цетобто пара, температура якої значно перевищує температуру кипіння під тиском повітря 100 °C. Папен, звичайно, не знає, що вищий тиск над рідиною змушує молекули в рідині «працювати більше», щоб википіти, що означає, що вони повинні мати більше енергії (тобто вищу температуру). Але він розуміє, що тиск і температура кипіння пов’язані.
1687 рік – Ісаак Ньютон публікує Принципи.
1698 рік – Томас Савері, англійський купець, винаходить «Друга шахтаря». По суті, це котел, прикріплений до довгої труби, призначений для викачування води з шахт. Ідея полягає в тому, щоб створити пару під високим тиском у котлі та проштовхнути її вниз по трубі, після чого вона може прогнати воду в іншу трубу на поверхню. Це комерційний провал. Металообробка того часу не витримує високого тиску; пара конденсується в неізольованих трубах, перш ніж вона зможе виконати будь-яку корисну роботу; тощо. Але це спонукає деяких людей думати про steam, і, зокрема, це спонукає Томаса Ньюкомена думати про steam.
1709 рік – Абрахам Дарбі, англійський виробник заліза, відкриває, як використовувати вугілля замість деревного вугілля для виплавки заліза. (Я маю на увазі процес, коли вуглець змішують із розплавленим залізом, щоб допомогти його очистити; я не обговорюю, як нагрівається та плавиться залізо. І деревне вугілля, і вугілля здебільшого складаються з вуглецю, але деревне вугілля має бути створено не мало витрати на опалення дров у закритій камері, тоді як вугілля потрібно лише видобувати.) Успіх Darby створює ще більший попит на вугілля, яке вже відчуває підвищений попит через прискорення вирубки лісів у південній Англії.
1712 рік – Гірнича промисловість Англії досягла майже кризового стану; підземне затоплення обмежує кількість можливих видобутків, хоча попит на залізо, вугілля та олово різко зростає. Томас Ньюкомен, англійський торговець залізом, який добре знає цю проблему, будує свою першу пожежну машину, удосконалюючи яку він витратив майже дванадцять років.
Його двигун складається з одного масивного циліндра, приблизно 4 фути в діаметрі та 15 футів заввишки, який встановлюється на водогрійному котлі. Цегляна стіна використовується для підтримки масивної балки-гойдалки — 40 футів із міцного дуба — якаодним кінцем прикріплений до поршня циліндра, а іншим – до водопідйомних ковшів. Незбалансованої ваги ковшів достатньо, щоб підняти циліндр, тому хід поршня вгору не забезпечує сили. Коли поршень піднімається, пара з котла заповнює циліндр під атмосферним тиском, як пара, що виходить із чайника. Але коли поршень повністю піднятий, холодна вода розбризкується в циліндр, конденсуючи пару і створюючи вакуум. Тиск повітря над циліндром штовхає його вниз, після чого може початися інший цикл.
Силу удару вниз можна оцінити за формулою F = PA. Площа верхньої частини циліндра дорівнює A = 
F = (14,7 фунтів/дюйм 2 )(3,14)(24 дюйми) 2 = 26 587 фунтів, або приблизно 13 тонн.
Це велика сила. Нарешті є спосіб підняти велику кількість води з глибоких шахт. Двигун Newcomen працює з дивовижною швидкістю 12 тактів на хвилину. Але, звичайно, не плавно! Гойдалка, як правило, вільно падає в обох напрямках із сильним гуркотом і стуком, і дуже схильна до розриву, якщо ланцюги розірвуться – таким чиномдозволяючи вільному поршню йти зі свистом вниз по циліндру так швидко, що він міг розбити дно і розчавити котел, часто викликаючи вибух. (З міркувань «безпеки» гірничі магнати часто наймали хлопчиків віком від 8 років, щоб вони стояли біля двигунів Ньюкомена і слухали звук розриву ланцюгів. Якщо хлопчик щось почув, він мав швидко відкрити запірний кран і скиньте тиск у балоні.)
Технологія виробництва того часу ледве здатна виготовляти такі великі циліндри з необхідною точністю, щоб бути герметичними, а машини Ньюкомена коштують сучасний еквівалент кількох мільйонів доларів кожна. Однак вони працюють. Протягом наступного десятиліття було побудовано кілька десятків, і понад 400 використовувалися до часу Американської революції. До 1800 року над англійськими чавунними, вугільними та олов’яними шахтами гойдається майже 1500 двигунів Ньюкомен, і їхня присутність стала такою ж частиною англійського ландшафту, як сьогодні нафтові свердловини в Саудівській Аравії.
1738 рік – Швейцарський математик і фізик Даніель Бернулліформулює свою кінетичну теорію газів. Він припускає, що гази складаються з твердих частинок у вакуумі, які безперервно рухаються та відскакують одна від одної та навколишнього середовища, як ідеально еластичні зерна в попкорні. З цієї точки зору, тиск повітря на щось створюється незліченними «гуками» величезної кількості атомів газу, що відбиваються від нього. Бернуллі зміг математично показати, що така хмара атомів підпорядковується закону Бойля, PV = константа.
Однак його теорію майже ігнорують. Багато хто з сучасників Бернуллі все ще вважають атоми занадто спекулятивними, і Бернуллі не має способу довести їх існування. Крім того, багато фізиків вважають, що атоми (якщо вони взагалі існують) повинні працювати як планети і повільно рухатися в просторі, взаємодіючи один з одним силами великої дії. Принципи Ісаака Ньютона були настільки успішними в поясненні великомасштабного руху, що майже всі вважають, що вони повинні застосовуватися і до маломасштабного руху. Маленькі кульки для пінг-понгу, що свистять навколо без жодних взаємодіючих сил, повинні чекати нових доказів на свою користь.
1760 рік – Джозефа Блека, шотландського хіміка та фізика, який має друзів у пивоварному бізнесі, вони попросили дослідити, чому для кип’ятіння води потрібно так багато вугілля. Чи зможе він знайти спосіб заощадити їм гроші? Блек проводить деякі дослідження та відкриває основний закон теплоємності, заданий формулою:
m — маса речовини, вимірюється в грамах
c s — питома теплоємність речовини, вимірюється в калоріях на грам °C,
Блек вважає своє відкриття доказом існування калорику, теоретичної рідини, яка, як вважають, забезпечує теплообмін. Відповідно до теорії, теплообмін відбувається за рахунок перетікання калорій від гарячих тіл до холодних. Блек припускає, що різні матеріали мають різну теплоємність, оскільки їхня здатність «утримувати» калорійність різна.
1762 рік – Джозеф Блек відкриває концепцію прихованої теплоти, яка є додатковою енергією (понад теплоємність), яку необхідно надати твердим речовинам, щоб їх розплавити, або рідинам, щоб їх кип’ятити. (Подібним чином, цю саму кількість прихованого тепла потрібно відвести, щоб сконденсувати газ у рідину або заморозити рідину в тверду речовину). Блек із жалем каже своїм друзям у пивному бізнесі, що ніхто нічого не може зробити, щоб змусити приховану теплоту води піти, щоб вони могли використовувати менше вугілля для кип’ятіння води.
1764 рік – Джеймса Ватта, шотландського інженера, який працює в Единбурзькому університеті, попросили відремонтувати модель двигуна Ньюкомена, якою володіє університет. Він помічає, що це неймовірно неекономно. (ПРИМІТКА: двигуни типу Ньюкомена мають приблизно 1% ефективності, тобто з кожних 100 джоулів теплової енергії, що виділяється вугіллям, що горить, лише один джоуль йде на підйом води, а інші 99 йдуть на нагрівання природи).
Уотт обговорює це питання з Блеком, який є професором університету, і дізнається про теплоємність. Ватт розуміє, що конструкція Ньюкомена, яка поперемінно наповнює один і той же циліндр гарячою парою та холодною водою, витрачає жахливу кількість енергії на безперервне нагрівання та охолодження праски. Він починає роботу над конструкцією, у якій пара буде виходити з силового циліндра після використання та конденсуватись у другій камері.
1783 рік – Брати Монгольф'є (вони ж брати Райт з Епохи Розуму) запускають першу повітряну кулю. Кажуть, що глядач запитав одного з братів: «Яка це користь?», і прийшла відповідь: «Яка користь від новонародженої дитини?»
У серпні того ж року Жак Шарль, французький фізик, розуміє, що водень забезпечить набагато більшу підйомну силу, а також забезпечить постійну плавучість, і тому запускає першу водневу повітряну кулю.
1784 рік – Протягом останніх десяти років Уотт був у фінансовому партнерстві з Метью Боултоном, бірмінгемським купцем і підприємцем. Бултон вважає, що економічний паровий двигун, здатний забезпечувати постійну обертову потужність (подібну до водяного колеса), мав би широке застосування в текстильній промисловості. Ватт вирішує останню практичну проблему, пов’язану з такою машиною, і в 1784 році, хоча про це ще ніхто не знає, почалася промислова революція. Конструктивні особливості Watt:
1) Окрема камера холодної води для конденсації пари з головного циліндра. Ця інновація робить двигун Ватта в 4-5 разів економічнішим за старі двигуни Newcomen. Boulton & Watt продає свою машину, стягуючи роялті за економію палива, досягнуту замовником у порівнянні з використанням двигуна Newcomen.
2) Поршень подвійної дії. Ватт винайшов геніальне розташування клапанів, яке впускає пару спочатку з одного боку поршня, потім з іншого. Ця подвійна дія надає двигуну Watt більше потужності, ніж конструкція Newcomen, а також робить вихідну потужність більш плавною.
3) Сонячно-планетна передача. Використовуючи важке колесо з шестернею «сонця і планети», Ватт здатний перетворити рух поршня вгору-вниз на обертальний рух, необхідний для роботи ткацьких верстатів і прядильних коліс. Великий кутовий момент колеса також допомагає згладити передачу потужності двигуна.
4) Відцентровий регулятор. Відцентрова сила від пари кульок, що обертаються, використовується для керування стрижнем, з’єднаним з паровими клапанами, щоб допомогти регулювати швидкість, з якою працює паровий двигун.
Однак конструкція Ватта, як і конструкція Ньюкомена, працює при атмосферному тиску. Пара виконує лише пасивну роль, дозволяючи поршню рухатися до створення вакууму шляхом конденсації пари. Потужність генерується виключно тиском повітря, що діє на поршень.
1787рік – Жак Шарль відкриває, що об’єм газу, температура якого близька до точки замерзання льоду (0 °C), змінюється на частку 1/273 для кожного градуса зміни температури. Тобто:
V = новий об’єм газу, V 0 = початковий об’єм газу, 
Відразу зрозуміло, звичайно, що якби ця формула була справедлива для всіх температур, то газ би взагалі зник при -273 °C !!! Це не здається правдоподібним, але без штучного охолодження неможливо безпосередньо перевірити ідею в 1787 році.
1789 рік – Антуан Лавуазьє, французький хімік-аристократ, якого загалом вважають найважливішим хіміком в історії завдяки його численним фундаментальним відкриттям, проголошує принцип розмови маси.
1790рік – Англійський уряд, швидко усвідомивши величезні економічні переваги, які дає Англії технологія промислової революції, заборонив експорт будь-яких книг, креслень чи описів нових машин. Також фахівцям з нової технології заборонено залишати країну (відтінки залізної завіси). Семюель Слейтер, молодий інженер, усвідомлює, що він може просунутися лише в класовій соціальній структурі Англії, і що багаті торговці в Америці готові щедро платити за його знання. Він старанно запам'ятовує кожну деталь механізму текстильної фабрики та тікає до Америки під виглядом сільськогосподарського робітника. Таким чином промислова революція приходить у Потакет, штат Род-Айленд.
1794рік – Антуан Лавуазьє страчений під час Французької революції. На міжнародне звернення від його імені петиціонерам дають відповідь: «Державі не потрібні вчені».
1798рік – Граф Румфорд, директор Баварського арсеналу, відповідає за стовбур гармат. Він помічає, що вода, яка використовується для охолодження гармат під час буріння, виділяє стільки тепла, що вона майже кипить. Звідки все це тепло? Калорійна теорія говорить, що це походить від залізної стружки, яка, як вважається, має меншу здатність утримувати калорії, ніж великі шматки заліза, але Румфорд налаштований скептично. Він помітив, що вода продовжує кипіти й кипіти навіть після того, як свердла настільки затупилися, що взагалі не утворюють стружки. Він припускає, що енергія руху самого свердла перетворюється на тепло, а калорійної рідини не існує.
Румфорд, у справді еклектичній кар’єрі, яка включає роботу шкільного вчителя, дослідника, секретного агента та армійського офіцера, також винаходить кавоварку, вбудовану кухню, гумку для олівців і термобілизну, остання з яких приносить йому медаль від Королівського товариства.
1801 рік – Джон Дальтон, англійський хімік, помітив, що хімічні елементи завжди утворюють сполуки з певними ваговими співвідношеннями. Дальтон припускає, що це тому, що елементи складаються з атомів, які мають певну вагу, і, отже, утворюють сполуки, які повинні відображати цю вагу.
1802 рік – Жозеф Гей-Люссак, французький фізик, самостійно відкриває закон Шарля (див. 1787) і розуміє, що його можна поєднати із законом Бойля, щоб отримати єдину формулу для газів:
PV = (const) (T + 273), де
P = тиск
V = об'єм
T = температура в °C
Це називається законом ідеального газу, або іноді законом ідеального газу. (Виявилося, що цей закон насправді є наближенням, і жоден реальний газ точно не відповідає закону ідеального газу... але в більшості ситуацій це більш ніж достатньо).
1804 рік – Протягом останніх 20 років, після появи парової машини Ватта, вчені та інженери працювали над тим, щоб зробити парові машини легшими, міцнішими і, що найголовніше, рухомими, тому що всі розуміють, що можна було б заробити величезні статки, якби тільки пару можна було використовувати для руху транспортних засобів. Річард Тревітік, англійський інженер, будує локомотив, який тягне п’ять навантажених вагонів уздовж рейок кінного візка на 9,5 миль із захоплюючою швидкістю п’ять миль на годину. (Він називає свій двигун «Ракета».) Тролейбусна лінія насправді нікуди не йде: Тревітік побудував колії по колу, і він заробляє гроші, стягуючи з людей плату за вхід на проїзд на цьому диві техніки. Але незабаром його маленький двигун почали використовувати для вивезення вугілля з шахт в Уельсі, і він загалом вважається першим у світі практичним локомотивом.
1807рік – Американський винахідник Роберт Фултон встановлює паровий двигун на човен Clermont і починає першу у світі фінансово успішну пароплавну службу.
1811 рік – Амадео Авогадро, італійський хімік, спантеличений розбіжностями між суперечливими теоріями про те, як гази хімічно поєднуються в рамках атомної теорії Дальтона. Зрештою він висуває гіпотезу, що всі зразки газів з однаковими об’ємами, температурами та тисками містять однакову кількість молекул. З часом хіміки та фізики поступово розуміють, що Авогадро має рацію. Константа в законі ідеального газу визначена як така, що дорівнює Nk B, де N є числом молекул у зразку газу, а k B має бути фундаментальною константою, однаковою для всіх газів. Цю константу тепер називають постійною Больцмана на честь Людвіга Больцмана за його фундаментальну теоретичну роботу зі статистичної механіки.
1824рік – Винахідники, які працювали над розробкою невеликих парових двигунів для локомотивів і човнів, звісно, почали використовувати у своїх двигунах пару високого тиску на відміну від пари атмосферного тиску двигунів Уатта. (Їм потрібно було більше потужності, і гарним способом отриматипоршень було 100 фунтів/дюйм 2 тиску пари, а не 14,7 фунтів/дюйм 2). Як побічний ефект вони помітили дивовижну річ: їх висока Двигуни високого тиску були набагато ефективнішими за використання палива, ніж двигуни Ватта, більше ніж утричі. Цілковита загадка, чому.
У 1824 році французький фізик та інженер Саді Карно публікує «Про рушійну силу вогню», в якій він викладає основні принципи, за допомогою яких тепло перетворюється на механічну роботу. Він показує, що максимально можлива ефективність палива для будь-якої парової машини залежить лише від температур, при яких вона працює. Тобто, якби ви змогли побудувати ідеальний двигун, вільний від тертя та з ідеальною теплоізоляцією, конструкція якого була б такою, щоб він міг витягувати кожну можливу йоту корисної енергії з пари, тоді його ефективність визначалася б ЛИШЕ температурою пара, коли вона надходить у поршень, і температура пари, коли вона виходить. Це все. Використовуючи сучасні позначення, можна сказати, що максимально можливий ККД e будь-якого теплового двигуна, що працює між двома температурами, дорівнює:
де TH = вища температура, а TC = нижча температура, у °K.
Цей результат пояснив, чому двигуни високого тиску були набагато більш економними, ніж двигуни Watt. Пара під високим тиском також означає пару з вищою температурою (див. запис для 1679), що забезпечує вищий можливий теоретичний ККД. Враховуючи дві парові машини, у яких тертя і так далі є більш-менш еквівалентними, тоді двигун вищого тиску матиме кращий ККД.
Як тільки це було зрозуміло, інженери почали агресивно розробляти проекти парових двигунів з високим і водночас високим тиском, оскільки вони зрозуміли, що це призведе до більшої потужності та економії палива — найкращого з усіх можливих.
1843 рік – Джеймс Джоуль, шотландський фізик, ретельно вимірює підвищення температури в надзвичайно добре ізольованих пляшках з водою, які перемішуються лопатями, що приводяться в рух падаючими вантажами. (Клацніть, щоб побачити ілюстрацію). Він визначає, що одна калорія тепла дорівнює 4,186 джоулів потенціальної гравітаційної енергії. (Ну, не зовсім так. Джоуль ще не був створений і не названий на честь Джоуля. Звичайно, Джоуль виконував свою роботу в англійських одиницях, а наступне покоління перевело його в метрику.)
1847 рік – Герман Гельмгольц, німецький фізик, вперше оголосив принцип універсального збереження енергії. Ця концепція викристалізовувалася протягом останніх 50 років. Безліч людей запропонували принципи збереження енергії для передачі тепла, пружних зіткнень тощо, але Гельмгольц отримав заслугу за те, що поставив цю ідею на міцну наукову основу та за те, що ВСЯ енергія... хімічна, радіаційна, гравітаційна, теплова, кінетичний, латентний, що завгодно...може бути перетворений в інші форми із загальною кількістю, що залишається постійною.
1848рік – Вільям Томпсон, британський фізик, також відомий як лорд Кельвін, усвідомлює, що закон Чарльза насправді не передбачає, що об’єм ідеального газу припаде до нуля при -273 °C, а радше те, що тепловий рух атомів зупиниться при -273 °C. Це набагато більш значуща ідея. Кельвін пропонує назвати це абсолютним нулем і вводить нову температурну шкалу, тепер відому як шкала Кельвіна, яка дорівнює шкалі за Цельсієм, за винятком того, що нульова точка переміщена вниз на 273 градуси. У термінах абсолютних температур закон ідеального газу виглядає так:
PV = Nk B T, де
P = тиск зразка газу
V = об’єм зразка газу
N = загальна кількість молекул у зразку газу
T = абсолютна температура, виміряна в °K
k B = постійна Больцмана, що становить 1,38066 X 10 -23 джоулів/°K
1850рік – Рудольф Клаузіус, німецький фізик, сформулював те, що тепер відомо як 2-й закон термодинаміки. По суті, це більш загальне і більш математично точне формулювання принципів, виведених Карно для максимально можливого ККД теплового двигуна. Загалом, 2-й закон стверджує, що Всесвіт статистично швидше рухається до безладу. Під «переходом до безладу» ми маємо на увазі, що Всесвіт схильний рандомізувати будь-яку систему, яку він може. Якщо ви використовуєте трохи червоного харчового барвника, щоб «позначити» верхню половину склянки води, цей упорядкований стан між червоною водою та прозорою водою триватиме недовго. Система рухатиметься до безладу, тобто до стану, коли все скло буде одного відтінку рожевого.
У деталях 2-й закон стверджує, що не є абсолютною вимогою те, щоб тепло перетікало від гарячого до холодного, а скоріше, що це найбільш вірогідний результат, якщо гаряче та холодне поміщаються разом. Інтуїтивно зрозуміла концепція проста. Припустімо, у мене є більярдний стіл без тертя, по ньому котяться кілька більярдних куль, що повільно рухаються. Якщо я вистрілю більярдну кулю, що швидко рухається, на стіл, що, ймовірно, станеться? Чи буде м'яч, що швидко рухається, якось зіткнутися з іншими таким чином, щоб збільшитисяйого швидкість, і ракета зі столу навіть швидше, ніж вона з’явилася? Або він буде стукати й плутатися разом із повільними кульками, доки нарешті не змішується й не перестане бути швидким? Ваша інтуїція вірна: «гаряча» більярдна куля сповільниться і стане «холодною». У двох словах, ось чому «гаряче» завжди тече до «холодного» в будь-якій термодинамічній системі.
2-й закон термодинаміки за своєю суттю є статистичним законом, але оскільки він зазвичай застосовується до систем, що містять ВЕЛИЧЕЗНУ кількість частинок (кілограм будь-якої речовини містить приблизно 100 000 000 000 000 000 000 000 000 атомів), ймовірність того, що система не будепідкорятися 2-му закону термодинаміки (тобто ймовірність того, що тепло раптово почне переходити від холодного до гарячого) настільки нескінченно мала, що 2-й закон можна вважати таким же абсолютним, як і будь-який закон у фізиці. 2-й Закон можна сформулювати різними способами. Одним із популярних способів є те, що неможливо перетворити теплову енергію в будь-який інший вид енергії зі 100% ефективністю. (Будь ласка, зауважте, що зворотнє не вірно. Ви можете перетворювати інші види енергії на тепло з 100% ефективністю.)
1859рік – Шотландський фізик Джеймс Клерк Максвелл розробляє кінетичну теорію газів. Максвеллу вдалося поставити старіші ідеї Бернуллі на набагато більш сувору теоретичну основу та одержати низку інших важливих результатів. Він демонструє, що швидкості молекул в ідеальному газі повинні бути розподілені вздовж певного типу дзвонової кривої (тепер відомої як розподіл Максвелла-Больцмана ), причому середня швидкість визначається формулою:
1 / 2 mv 2 = 3 / 2 k B T
де:
m = маса молекул газу (ми припускаємо, що в газі є лише один тип молекул)
v = середня швидкість молекул
T = температура газу газ, у °K
k B = стала Больцмана
Формула написана в такому форматі, щоб підкреслити зв’язок між середньою кінетичною енергією молекул і абсолютною температурою.