ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ

ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ

Θερμοδυναμική ονομάζεται ο κλάδος της φυσικής που μελετά τη μετατροπή της κίνησης σε θερμότητα και το αντίστροφο

 Η λέξη θερμοδυναμική είναι σύνθετη και προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις θερμότητα και δύναμη.

Ο πρωτόγονος άνθρωπο ανάβει φωτιά τρίβοντας δυο ξύλα μεταξύ τους 

 Ο πρωτόγονος άνθρωπο πίστευε ότι ο ήλιος και η φωτιά που άναβε τυχαία από τους κεραυνούς ήταν η μοναδική πηγή θερμότητας.Παρατηρούσε τις κλιματικές μεταβολές στην ατμόσφαιρα και προσπαθούσε να προφυλαχτεί από το κρύο και τη ζέστη.

Πιθανότατα πριν από 500.000 χρόνια ο άνθρωπος έμαθε να χειρίζεται τη φωτιά

 Σταθμός του πολιτισμού του ανθρώπου ήταν όταν έμαθε να ανάβει φωτιά κτυπώντας δυο πέτρες ή τρίβοντας δυο ξύλα μεταξύ τους .

Ο άνθρωπος χρησιμοποιούσε τη φωτιά για μαγείρεμα αλλά και να θερμαίνει ή να φωτίζει τις σπηλιές όπου και κατοικούσε

 Πιθανότατα πριν από 500.000 χρόνια ο άνθρωπος έμαθε να χειρίζεται τη φωτιά,ενώ τη λίθινη εποχή,περίπου 30.000 χρόνια πριν,ζωγραφιές σε σπήλαια αποδεικνύουν ότι ο άνθρωπος χρησιμοποιούσε τη φωτιά για μαγείρεμα αλλά και να θερμαίνει ή να φωτίζει τις σπηλιές όπου και κατοικούσε.

Ο Προμηθέας κλέβει τη φωτιά από τους θεούς για να την δώσει στους ανθρώπους

 Κατά την μυθολογία βλέποντας την κατάντια του ανθρώπινου γένους και την αδυναμία του απέναντι στη φύση,ο Προμηθέας αποφασίζει να του χαρίσει τη φωτιά.Έτσι,επισκεπτόμενος το εργαστήρι του Ήφαιστου,τοποθετεί τη φωτιά σε ένα κούφιο καλάμι και τη δίνει κρυφά στους ανθρώπους.Ως τόπος παράδοσης της φωτιάς αναφέρεται η πόλη Σικυώνα της Πελοποννήσου.

Ο Προμηθέας παραδίδει την φωτιά στους ανθρώπους στη πόλη  Σικυώνα της Πελοποννήσου

 Ο Προμηθέας έμαθε τους ανθρώπους να χειρίζονται τη φωτιά, να δημιουργούν εργαλεία και τους έμαθε τις Επιστήμες (που έκλεψε από την Αθηνά) και τα Γράμματα.Για να γλυτώσει την ανθρωπότητα από το μένος των θεών,την έμαθε να τους λατρεύει και να τους κάνει θυσία.

Οι αρχαίοι Έλληνες θεωρούσαν τη φωτιά ως ένα από τα τέσσερα βασικά στοιχεία μαζί με τη γη,το νερό και τον αέρα

 Οι αρχαίοι Έλληνες θεωρούσαν τη φωτιά ως ένα από τα τέσσερα βασικά στοιχεία μαζί με τη γη, το νερό και τον αέρα.Πίστευαν ότι κάθε σώμα αποτελείται από συνδυασμούς αυτών των τεσσάρων στοιχείων.

O Ηράκλειτος

 Ο πρώτος που διατύπωσε μια θεωρία για τη θερμότητα ήταν ο Έλληνας φιλόσοφος Ηράκλειτος,που έζησε γύρω στο 500 π.Χ. στην πόλη της Εφέσου στην Ιωνία της Μικράς Ασίας.Στον Ηράκλειτο απονέμεται ένα έργο με τίτλο Περί Φύσεως,το οποίο χωρίζεται σε τρία μέρη με περιεχόμενο πολιτικό,θεολογικό και κοσμογονικό.Ο Ηράκλειτος υποστήριξε ότι τα τρία βασικά συστατικά της φύσης ήταν η φωτιά,η γη και το νερό.Ο κόσμος για τον Ηράκλειτο δεν είναι αποτέλεσμα δημιουργίας ή γένεσης,αλλά προϋπάρχει προαιώνια και περιγράφεται ως ζωντανή φωτιά,η οποία εναλλάξ δυναμώνει και εξασθενεί,χωρίς ποτέ να σβήνει εντελώς. 

Η φωτιά ονομάζεται το φαινόμενο της ανάφλεξης ενός υλικού που αναγνωρίζεται από την σημαντική έκκληση θερμότητας και της παρουσίας φλόγας

 Το πυρ του Ηράκλειτου είναι μια κοσμολογική σταθερά που κινείται και μεταμορφώνεται αέναα.Η παροιμιώδης φράση που χαρακτηρίζει τη φιλοσοφία του Ηρακλείτου:

Τα πάντα ρει,μηδέποτε κατά τ'αυτό μένειν 

 Επίσης υποστήριζε ότι η πρωταρχική ουσία στον κόσμο είναι η ενέργεια (το πυρ).Σήμερα,μετά την πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας του Άλμπερτ Αϊνστάιν γνωρίζουμε βέβαια ότι αυτό είναι αλήθεια και ότι η ύλη και η ενέργεια είναι το ίδιο πράγμα σε διαφορετική κατάσταση.

Ο Ιπποκράτης,ο πατέρας της ιατρικής  

 Το 460 π.Χ. ο Ιπποκράτης,ο πατέρας της ιατρικής,θεωρούσε  ότι τα πάντα προέρχονται από τα 4 στοιχεία,σε καθένα από τα οποία ανταποκρίνεται η ιδιότητα του ψυχρού,του ξηρού,του θερμού,του υγρού.Στα στερεά συστατικά του σώματος υπερισχύει το γαιώδες και στα υγρά το υδατώδες.Συνεκτική ουσία των πάντων είναι το πνεύμα,έμφυτο και θερμό στον άνθρωπο,που εδρεύει στην καρδιά.

Ο Ουίλιαμ Τόμσον, 1ος Βαρώνος Κέλβιν,Μέλος του Τάγματος της Αξίας,Μεγαλόσταυρος Ιππότης του Βασιλικού Βικτωριανού Τάγματος,Μέλος του Συμβουλίου Επικρατείας του Ηνωμένου Βασιλείου,Μέλος της Βασιλικής Εταιρείας,Μέλος της Βασιλικής Εταιρείας του Εδιμβούργου (1824-1907) ήταν Σκωτσέζος φυσικός που το 1892 απέκτησε τίτλο ευγενείας και ονομάστηκε "Βαρώνος Κέλβιν" από την ομώνυμη περιοχή.Στη βιβλιογραφία είναι γνωστός και ως Λόρδος Κέλβιν,ιδιαίτερα γνωστός από την επινόηση της θερμοκρασιακής κλίμακας Kelvin,η οποία αρχίζει από το απόλυτο μηδέν

  Ο Ουίλιαμ Τόμσον γνωστός και ως Λόρδος Κέλβιν ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε τον όρο θερμοδυναμική το 1849.Ήταν αυτός που επινόησε την θερμοκρασιακής κλίμακας Kelvin,η οποία αρχίζει από το απόλυτο μηδέν.

O Ουίλιαμ Ράνκιν (Εδιμβούργο,5 Ιουλίου 1820-Γλασκώβη,24 Δεκεμβρίου 1872) ήταν Σκωτσέζοςμηχανικός και φυσικός.Το 1879 δημοσίευσε το πρώτο του βιβλίο, το "Εγχειρίδιο της ατμομηχανής" (Manual of the Steam Engine)

 Το πρώτο βιβλίο με θέμα την θερμοδυναμική γράφτηκε το 1859 από τον καθηγητή Ουίλιαμ Ράνκιν.Το 1879 δημοσίευσε το πρώτο του βιβλίο,το "Εγχειρίδιο της ατμομηχανής" (Manual of the Steam Engine).
 Από την αρχαιότητα υπάρχει η ιδέα για τη χρήση της θερμότητας για τη μετάδοση κίνησης.Όμως οι θερμικές μηχανές εκείνης της εποχής δεν είχαν πρακτική χρήση.

Ο Ήρων ο Αλεξανδρεύς ήταν μηχανικός και γεωμέτρης.Έζησε στην Αλεξάνδρεια της Αιγύπτου περίπου τον 1ο π.Χ ή 1ο μ.Χ αιώνα.Η πιο διάσημη εφεύρεση του είναι η αιολόσφαιρα ή ατμοστρόβιλος,η πρώτη ατμομηχανή στην ιστορία.Υπήρξε διευθυντής της περίφημης Ανώτατης Τεχνικής Σχολής της Αλεξάνδρειας,το πρώτο πολυτεχνείο που είχε ιδρυθεί στο Μουσείο για μηχανικούς.Ήταν γνωστός και ως Ήρων ο Κτησιβίου (ως μαθητή, πιθανότατα,του μεγάλου μαθηματικού και εφευρέτη Κτησιβίου),και Ήρων ο Μηχανικός.

 Ιστορικά η πρώτη θερμική μηχανή που κατασκευάστηκε είναι από τον Ήρωνα τον Αλεξανδρινό περίπου το 100 μ.Χ.,γνωστή και ως αιολικός κινητήρας του Ήρωνα.

Ο αιολικός κινητήρας του Ήρωνα

 Επίσης ο Ήρωνας περιγράφει και ένα σύστημα που έκλεινε τις πόρτες ενός ναού με χρήση της θερμότητας από τη φωτιά που άναβε το βωμό του ναού.

Η πρώτη θερμική μηχανή,γνωστή και ως αιολικός κινητήρας του Ήρωνα

 Οι πρώτες βασικές έννοιες για την θερμότητα και τη θερμοκρασία υπήρχαν από το 1600.Οι επιστήμονες της εποχής εκείνης φαίνεται ότι να είχαν σκεφτεί σωστά ότι η θερμότητα συνδέεται με την κίνηση των μικροσκοπικών συστατικών της ύλης.

Η πρώτη ατμομηχανή που κατασκευάστηκε από τον Τόμας Νιούκομεν για την άντληση νερού   

 Σαν επιστήμη η θερμοδυναμική αρχίζει με την κατασκευή του πρώτου κινητήρα ατμού από τον Τόμας Σέιβερι το 1697 και τον Τόμας Νιουκόμεν στην Αγγλία το 1712.Χρησιμοποιήθηκε για την άντληση νερού.Αργότερα οι επιστήμονες προσπαθούσαν να βελτιώσουν και να τελειοποιήσουν τις μηχανές που μετέτρεπαν τη θερμότητα σε ωφέλιμο έργο.Η μηχανή αυτή τροποποιήθηκε και βελτιώθηκε αργότερα από τον Βαττ και αποτέλεσε τον πρόδρομο των σύγχρονων ατμομηχανών.

Ο Τζέιμς Βαττ (19 Ιανουαρίου 1736–25 Αυγούστου 1819) ήταν Σκωτσέζος μηχανουργός,μηχανικός και εφευρέτης.Ο Τζέιμς Βαττ ονομάσθηκε "πατέρας της ατμομηχανής" ιδιαίτερα για τη χρήση του ατμού για τη θέρμανση του κυλίνδρου,και κυρίως για την κατασκευή μιας ατμομηχανής που μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ευρεία κλίμακα σε πολλές εφαρμογές,οδηγώντας έτσι στην έλευση της Βιομηχανικής Επανάστασης.Προς τιμή του ονομάστηκε ειδική μονάδα μέτρησης ισχύος λεγόμενη Βατ.

  Πολλές δραστηριότητες της καθημερινής ζωής του ανθρώπου,όπως η θέρμανση και το μαγείρεμα,στηρίζονται στη χρήση της,θερμότητας.Η μεταλλουργία και η κεραμική ήταν για πολλούς αιώνες οι σημαντικότεροι τομείς στους οποίους ο άνθρωπος χρησιμοποίησε τη θερμότητα.Πολύ αργότερα,αντιλήφθηκε ότι η θερμότητα συνδέεται με την κίνηση και τον 18ο αιώνα κατασκεύασε την πρώτη ατμομηχανή.Η ατμομηχανή είναι μια μηχανή που μετασχηματίζει τη θερμότητα σε μηχανικό έργο.Η θερμότητα προκύπτει από τα καύσιμα που καίγονται και χρησιμοποιείται για να μετασχηματίσει το νερό σε ατμό, ο οποίος χρησιμοποιείται για να κινήσει τροχούς ή μοχλούς.

Η πρώτη ατμομηχανή για τα τρένα

 Από τότε,πολλές εργασίες έπαψαν να γίνονται χειρωνακτικά ή με τη βοήθεια ζώων και αναπτύχθηκαν οι πρώτες βιομηχανίες.Με την εκτεταμένη χρήση των μηχανών στην παραγωγή αγαθών,ξεκινά η βιομηχανική επανάσταση.

Ο Σκοτσέζος χημικός Joseph Black ανακάλυψε ότι ο πάγος απορροφά θερμότητα χωρίς να αλλάζει τη θερμοκρασία κατά την τήξη

 Το 1761,ο Σκοτσέζος χημικός Joseph Black ανακάλυψε ότι ο πάγος απορροφά θερμότητα χωρίς να αλλάζει τη θερμοκρασία κατά την τήξη.Από αυτό κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η θερμότητα πρέπει να συνδυάζεται με τα σωματίδια πάγου και να γίνει λανθάνουσα.Μεταξύ 1759 και 1763,διατύπωσε μια θεωρία της λανθάνουσας θερμότητας για τα οποία η επιστημονική φήμη του στηρίζεται κατά κύριο λόγο,και έδειξε επίσης ότι οι διάφορες ουσίες που έχουν διαφορετικές ειδικές θερμότητες.

 Στην αρχή υπήρχε η άποψη ότι η θερμότητα ήταν ένα είδος ρευστού.Οι επιστήμονες της εποχής εκείνης  πιστεύανε ότι η θέρμανση ενός σώματος  ήταν η μεταφορά του ρευστού από το ένα σώμα στο άλλο.Όμως πειράματα από τον Τζάουλ και άλλους στη δεκαετία του 1840 φέρανε σε αντίθεση την άποψη αυτή  και στη δεκαετία του 1850,έγινε αποδεκτό ότι η θερμότητα είναι στην πραγματικότητα μια μορφή ενέργειας.

Ο Nicolas Léonard Sadi Carnot (1, Ιουνίου 1796-24,Αυγ 1832) ήταν Γάλλος στρατιωτικός μηχανικός.Συχνά περιγράφεται ως ο "πατέρας της θερμοδυναμικής",για τις έννοιες όπως ο Βαθμός απόδοσης Carnot,το θεώρημα Carnot,η μηχανή Carnot και άλλες

 Ο πατέρα της θερμοδυναμικής Σαντί Καρνό διατύπωσε το 1824 τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.Αργότερα το 1842 ο R. J. Mayer ανακάλυψε την ισοδυναμία έργου και θερμότητας,διατυπώνοντας την αρχή διατήρησης της ενέργειας. 

Ο Rudolf Julius Emanuel Clausius (Γενάρη,1822-4,Αυγούστου,1888),ήταν Γερμανός φυσικός και μαθηματικός και θεωρείται ένα από τους ιδρυτές της επιστήμης της θερμοδυναμικής.Με την επαναδιατύπωση της αρχής του κύκλου Carnot,έβαλε τη θεωρία της θερμότητας σε μια πιο αληθινή και πιο ορθολογική βάση.Το 1850 δημοσιεύσε την μηχανική θεωρία της θερμότητας,που ανέφερε αρχικά τις βασικές ιδέες του  δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Το 1865 εισήγαγε την έννοια της εντροπίας

 Γύρω στο 1850 ο Rudolf Clausius και ο William Thomson (Kelvin) διατύπωσαν το πρώτο νόμος της θερμοδυναμικής και θεμελίωσαν το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

 Η ιδέα ότι τα αέρια αποτελούνται από μόρια σε κίνηση υπήρχε από τον Daniel Bernoulli το 1738 και αναβίωσε από τον Clausius το 1857.Μετά από αυτό,ο James Clerk Maxwell το 1860 μελέτησε τις μοριακές συγκρούσεις και την  κατανομή μοριακών ταχυτήτων σε ένα αέριο.Τα επόμενα χρόνια αναπτύχθηκε ραγδαία η κινητική θεωρία των αερίων αναπτύχθηκε ραγδαία και υπολογίστηκαν πολλές μακροσκοπικές ιδιότητες των αερίων στην ισορροπία.

Ο Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (31 Αύγ,1821-8 Σεπτέμβρη 1894) ήταν ένας Γερμανός γιατρός και φυσικός ο οποίος έκανε σημαντικές συνεισφορές σε διάφορους τομείς της σύγχρονης επιστήμης.Στη φυσιολογία και την ψυχολογία,είναι γνωστός για τα μαθηματικά του ματιού,οι θεωρίες του οράματος,οι ιδέες για την οπτική αντίληψη του χώρου,την αίσθηση του τόνου,τη αντίληψη του ήχου,και εμπειρισμό.Στη φυσική,είναι γνωστός για τις θεωρίες του σχετικά με τη διατήρηση της ενέργειας,την εργασία της ηλεκτροδυναμικής,της χημικής θερμοδυναμικής

 Το έργο του Joule και Mayer, απέδειξαν ότι η θερμότητα και το έργο ήταν ισοδύναμες μορφές ενέργειας, και οδήγησαν στη αρχής της διατήρησης της ενέργειας από τον Hermann von Helmholtz το 1847.Ο Clausius το 1850 έδειξε ότι η θερμιδική θεωρία θα μπορούσε να συμβιβαστεί με την κινητική θεωρία.Το 1851,ο William Thomson παρουσίασε τη σύγχρονη άποψη για την δυναμική θεωρία της θερμότητας.

Ο πρώτος  κινητήρας εσωτερικής καύσης  

 Στη δεκαετία του 1860 ο Clausius είχε εισάγει τον όρο εντροπία ως το ποσοστό της θερμότητας με τη θερμοκρασία.Το 1872 ο Ludwig Boltzmann διατύπωσε μια εξίσωση που περιγράφει τον χρόνο ανάπτυξης ενός αερίου,είτε βρίσκεται σε ισορροπία ή όχι.Ο Boltzmann στη συνέχεια,έδειξε ότι η εξίσωση του αναφέρεται σε μια ποσότητα ίση με την εντροπία σε ισορροπία.

Ο Ludwig Eduard Boltzmann (20 Φεβρουαρίου 1844-5,Σεπτεμβρίου,1906) ήταν ένας Αυστριακός φυσικός του οποίου το μεγαλύτερο επίτευγμα ήταν η ανάπτυξη της στατιστικής μηχανικής,γεγονός που εξηγεί και προβλέπει πως οι ιδιότητες των ατόμων (όπως η μάζα,φορτίο,και τη δομή) καθορίζει τις ορατές ιδιότητες της ύλης,όπως το ιξώδες,η θερμική αγωγιμότητα,και η διάχυση

 Η Στατιστική Μηχανική των συστημάτων των σωματιδίων τέθηκε σε γενικότερο πλαίσιο από τον Willard Gibbs,γύρω στο 1900.Στις αρχές της δεκαετίας του 1900,η ​​ανάπτυξη της θερμοδυναμικής σε μεγάλο βαθμό επισκιάστηκε από την κβαντική θεωρία.Παρ 'όλα αυτά,από τη δεκαετία του 1930,ο δεύτερος νόμος θεωρείται γενικά ως μια αρχή της φυσικής.

Ο Josiah Willard Gibbs (11 Φεβρουαρίου,1839-28 Απριλίου 1903) ήταν ένας Αμερικανός επιστήμονας που έκανε σημαντικές θεωρητικές συνεισφορές στη φυσική,τη χημεία και τα μαθηματικά.Το έργο του σχετικά με τις εφαρμογές της θερμοδυναμικής έπαιξε σημαντικό ρόλο στη μετατροπή της φυσικοχημείας σε μια αυστηρή επαγωγική επιστήμη

 Τον 19ο αιώνα κατασκευάστηκαν οι κινητήρες εσωτερικής καύσης,δηλαδή,ο πετρελαιοκινητήρας και ο βενζινοκινητήρας.Η ανακάλυψη των κοιτασμάτων πετρελαίου οδήγησε τον τεχνικό κόσμο του 20ου αιώνα στην ανάγκη εφεύρεσης συστημάτων ικανών να αξιοποιήσουν το καινούργιο καύσιμο.

Ένα από τα πρώτα αυτοκίνητα με κινητήρα εσωτερικής καύσης

 Αρχικά ο Γάλλος μηχανικός Etienne Lenoir και στη συνέχεια ο Γερμανός Nikolaus Agust Otto κατασκευάζουν τις πρώτες μηχανές εσωτερικής καύσης. Το 1885 ο Γερμανός μηχανικός Benz προσαρμόζει τη μηχανή του Otto σε αμάξωμα,τοποθετεί τρεις τροχούς και δημιουργεί το πρώτο αυτοκινούμενο όχημα.Τον επόμενο χρόνο ο Γερμανός μηχανικός Daimler κατασκευάζει το πρώτο τετράτροχο αυτοκίνητο με μηχανή εσωτερικής καύσης.

Ο Ιταλός φυσικός Enrico Fermi σχεδιάζει και θέτει σε λειτουργία τον πρώτο πυρηνικό αντιδραστήρα στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής

 Το 1942 ο Ιταλός φυσικός Enrico Fermi σχεδιάζει και θέτει σε λειτουργία τον πρώτο πυρηνικό αντιδραστήρα στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής,ενώ το 1954 το πρώτο πυρηνικό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας τίθεται σε λειτουργία στην τέως ΕΣΣΔ.

Το πρώτο πυρηνικό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας τίθεται σε λειτουργία στην τέως ΕΣΣΔ

 Όταν οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές έγιναν διαθέσιμοι,το 1950,ο Enrico Fermi και άλλοι επιστήμονες άρχισαν να ερευνούν τις ιδιότητες των αερίων με γραμμικά συστήματα ταλαντώσεων. 
 Ο 20ος αιώνας χαρακτηρίζεται από τρομακτική αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας. Προβλήματα όπως η προστασία του περιβάλλοντος και η εξάντληση των ενεργειακών πόρων δεν απασχολούσαν κανέναν.Τα πάντα όμως θα άλλαζαν σύντομα.

Κατά τη λειτουργία των μηχανών αποβάλλονται καυσαέρια

 Ωστόσο,αν και οι μηχανές συνεισέφεραν στη βελτίωση του τρόπου ζωής του ανθρώπου,η χρήση τους προκάλεσε και σημαντικά προβλήματα.Κατά τη λειτουργία των μηχανών αποβάλλονται καυσαέρια ή δημιουργούνται ραδιενεργά κατάλοιπα τα οποία μολύνουν το περιβάλλον.Επίσης,κατά τη λειτουργία των θερμικών μηχανών μεταφέρεται στην ατμόσφαιρα και θερμότητα.Η θερμοκρασία του περιβάλλοντος αυξάνεται και η ισορροπία των οικοσυστημάτων διαταράσσεται.Η χρησιμοποίηση των θερμικών μηχανών χωρίς τη λήψη των κατάλληλων μέτρων δημιουργεί οικολογικά προβλήματα στον πλανήτη μας.

Ένας σύγχρονος κινητήρας αεροσκαφών

 Η θερμοδυναμική σήμερα έχει μεγάλο πρακτικό ενδιαφέρον.Η πρόοδος της θερμοδυναμικής οδήγησε στην κατασκευή όλων των σύγχρονων θερμικών μηχανών, βενζινοκινητήρων, πετρελαιοκινητήρων, κινητήρων αεροσκαφών, ατμοστρόβιλων.