Номер 11, страница 120 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 17. Основы химической термодинамики. Понятие об энтальпии - номер 11, страница 120.

Условие.

11. Какие учёные являются авторами первого начала термодинамики? Какие эксперименты лежали в основе открытий каждого из этих учёных?

Решение.

Решение 2.

Первое начало термодинамики, являющееся по сути законом сохранения энергии для термодинамических систем, было сформулировано в середине XIX века благодаря работам нескольких учёных, которые пришли к схожим выводам независимо друг от друга, основываясь на разных подходах и экспериментах. Ключевыми фигурами в этом открытии считаются Юлиус Майер, Джеймс Джоуль и Герман Гельмгольц.

Юлиус Роберт фон Майер (1814-1878)

Немецкий врач Юлиус Майер пришёл к идее сохранения энергии через физиологические наблюдения. В 1840 году, будучи судовым врачом во время плавания в тропики, он заметил, что венозная кровь у моряков была необычно яркого, алого цвета, почти как артериальная. Он предположил, что в жарком климате организму для поддержания постоянной температуры тела требуется сжигать меньше пищи (то есть производить меньше тепла), чем в холодном. Это навело его на мысль о количественной связи между «силами» (энергией) в живых и неживых системах — в данном случае, между теплотой и работой. В 1842 году он опубликовал работу, в которой теоретически рассчитал численный эквивалент теплоты и работы, основываясь на данных о теплоёмкости газов при постоянном давлении и постоянном объёме. Он рассуждал, что разница в количестве теплоты, необходимой для нагрева газа в этих двух процессах, идёт на совершение газом работы при расширении.

Ответ: В основе открытия Юлиуса Майера лежали физиологические наблюдения за изменением цвета венозной крови в разных климатических условиях и теоретические расчёты механического эквивалента тепла на основе анализа теплоёмкости газов.

Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889)

Английский физик Джеймс Джоуль подошёл к вопросу с позиции экспериментатора. Он поставил себе цель доказать точное количественное соотношение между механической работой и теплотой. В серии знаменитых опытов, проводившихся с 1843 по 1850 год, он измерял количество теплоты, выделяющееся при совершении работы. Самый известный его эксперимент состоял в следующем: в калориметр с водой помещались лопасти, которые приводились во вращение падающими с определённой высоты грузами. Работа, совершаемая силой тяжести при падении грузов, превращалась в теплоту за счёт трения лопастей о воду, что приводило к её нагреву. Измеряя работу падающих грузов $A = mgh$ и количество теплоты $Q = cm\Delta T$, полученное водой, Джоуль установил их пропорциональность и с высокой точностью определил механический эквивалент тепла. Он также проводил опыты по нагреванию проводников электрическим током и сжатию газов, получая схожие результаты.

Ответ: В основе открытия Джеймса Джоуля лежала серия точных экспериментов по измерению количества теплоты, выделяемого при совершении механической работы (например, при трении) или при прохождении электрического тока, что позволило установить количественную эквивалентность работы и теплоты.

Герман фон Гельмгольц (1821-1894)

Немецкий учёный Герман Гельмгольц дал наиболее общее теоретическое и математическое обоснование закона сохранения энергии. В своём труде «О сохранении силы» (1847) он, в отличие от Майера и Джоуля, не основывался на конкретных новых экспериментах. Его работа была глубоким теоретическим обобщением, основанным на философском принципе невозможности создания вечного двигателя (perpetuum mobile). Гельмгольц показал, что из этого принципа следует, что сумма «живых сил» (кинетической энергии) и «сил напряжения» (потенциальной энергии) в любой изолированной системе остаётся постоянной. Он распространил этот закон на все известные виды взаимодействий: механические, тепловые, электрические, магнитные и химические, тем самым придав ему статус всеобщего закона природы.

Ответ: В основе открытия Германа Гельмгольца лежало теоретическое обобщение известных физических явлений и постулат о невозможности создания вечного двигателя, что позволило ему сформулировать закон сохранения энергии в универсальной математической форме для всех видов энергии.