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Термодинамика 

The history of thermodynamics as a scientific discipline generally begins with 

Otto  von  Guericke  who, in 1650,  built  and  designed  the  world's  first  vacuum  pump 

and demonstrated a vacuum using his Magdeburg hemispheres. Guericke was driven 

to  make  a vacuum  in  order  to disprove  Aristotle's  long-held supposition that  'nature 

abhors  a  vacuum'.  Shortly  after  Guericke,  the  English  physicist  and  chemist  Robert 

Boyle  had  learned  of  Guericke's  designs  and,  in  1656,  in  coordination  with  English 

scientist  Robert  Hooke,  built  an  air  pump.

[17]


  Using  this  pump,  Boyle  and  Hooke 

noticed  a  correlation  between  pressure,  temperature,  and  volume.  In  time,  Boyle's 

Law  was  formulated,  which  states  that  pressure  and  volume  are  inversely 

proportional. Then, in 1679, based on these concepts, an associate of Boyle's named 

Denis Papinbuilt a steam digester, which was a closed vessel with a tightly fitting lid 

that confined steam until a high pressure was generated. 

Later  designs  implemented  a  steam  release  valve  that  kept  the  machine  from 

exploding. By watching the valve rhythmically move up and down, Papin conceived 

of  the  idea  of  a  piston  and  a  cylinder  engine.  He  did  not,  however,  follow  through 

with  his  design.  Nevertheless,  in  1697,  based  on  Papin's  designs,  engineer  Thomas 

Savery  built  the  first  engine,  followed  by  Thomas  Newcomen  in  1712.  Although 


360 

these  early  engines  were  crude  and  inefficient,  they  attracted  the  attention  of  the 

leading scientists of the time. 

The  fundamental  concepts  of  heat  capacity  and  latent  heat,  which  were 

necessary  for  the  development  of  thermodynamics,  were  developed  by  Professor 

Joseph Black  at the University  of  Glasgow,  where  James  Watt  was  employed  as  an 

instrument  maker.  Black  and  Watt performed  experiments together,  but  it  was  Watt 

who conceived the idea of the external condenser which resulted in a large increase in 

steam  engineefficiency.

[18]


  Drawing  on  all  the  previous  work  led  Sadi  Carnot,  the 

"father  of  thermodynamics",  to  publish  Reflections  on  the  Motive  Power  of  Fire 

(1824), a discourse on heat, power, energy and engine efficiency. The paper outlined 

the basic energetic relations between the Carnot engine, the Carnot cycle, and motive 

power. It marked the start of thermodynamics as a modern science.

[10]


 

The  first  thermodynamic  textbook  was  written  in  1859  by  William  Rankine, 

originally  trained  as a  physicist  and a  civil  and  mechanical engineering professor  at 

the University of Glasgow.

[19]

 The first and second laws of thermodynamics emerged 



simultaneously in the 1850s, primarily out of the works of William Rankine, Rudolf 

Clausius, and William Thomson (Lord Kelvin). 

The foundations of statistical thermodynamics were set out by physicists such 

as  James  Clerk  Maxwell,  Ludwig  Boltzmann,  Max  Planck,Rudolf  Clausius  and  J. 

Willard Gibbs. 

During the years 1873-76 the American mathematical physicist Josiah Willard 

Gibbs published a series of three papers, the most famous being On the Equilibrium 

of Heterogeneous Substances,

[3]


 in which he showed how thermodynamic processes, 

including chemical reactions, could be graphically analyzed, by studying the energy, 

entropy,  volume,  temperature  and  pressure  of  the  thermodynamic  system  in  such  a 

manner,  one  can  determine  if  a  process  would  occur  spontaneously.

[20]

  Also  Pierre 



Duhem in the 19th century wrote about chemical thermodynamics.

[4]


 During the early 

20th  century,  chemists  such  as  Gilbert  N.  Lewis,  Merle  Randall,

[5]

  and  E.  A. 



Guggenheim

[6][7]


  applied  the  mathematical  methods  of  Gibbs  to  the  analysis  of 

chemical processes. 

 

4.Electricity and magnetism 

 

 Alternating current  

The  first  alternator  to  produce  alternating  current  was  a  dynamo  electric 

generator  based  on  Michael  Faraday's  principles  constructed  by  the  French 

instrument  maker  Hippolyte  Pixii  in  1832.

[4]

  Pixii  later  added  a  commutator  to  his 



device  to  produce  the  (then)  more  commonly  used  direct  current.  The  earliest 

recorded  practical  application  of  alternating  current  is  by  Guillaume  Duchenne, 

inventor  and  developer  of  electrotherapy.  In  1855,  he  announced  that  AC  was 

superior to direct current for electrotherapeutic triggering of muscle contractions.

[5]

 

Alternating  current technology  had  first  developed in  Europe due to  the  work 

of  Guillaume  Duchenne  (1850s),  The  Hungarian  Ganz  Works  (1870s),  Sebastian 

Ziani de Ferranti(1880s), Lucien Gaulard, and Galileo Ferraris. 

In 1876, Russian engineer Pavel Yablochkov invented a lighting system based 


361 

on a set of induction coils where the primary windings were connected to a source of 

AC.  The  secondary  windings  could  be  connected  to  several  'electric  candles'  (arc 

lamps) of his own design.

[6][7]

 The coils Yablochkov employed functioned essentially 



as transformers.

[6]


 

In  1878,  the  Ganz  factory,  Budapest,  Hungary,  began  manufacturing 

equipment  for  electric  lighting  and,  by  1883,  had  installed  over  fifty  systems  in 

Austria-Hungary. Their AC systems used arc and incandescent lamps, generators, and 

other equipment.

[8]


 

A power transformer developed by Lucien Gaulard and John Dixon Gibbs was 

demonstrated  in  London  in  1881,  and  attracted  the  interest  of  Westinghouse.  They 

also exhibited the invention in Turin in 1884. 

In  the  autumn  of  1884,  Károly  Zipernowsky,  Ottó  Bláthy  and  Miksa  Déri 

(ZBD), three engineers associated with the Ganz factory, determined that open-core 

devices were impractical, as they were incapable of reliably regulating voltage.

[11]


 In 

their  joint  1885  patent  applications  for  novel  transformers  (later  called  ZBD 

transformers), they described two designs with closed magnetic circuits where copper 

windings  were  either  a)  wound  around iron  wire  ring core  or b)  surrounded  by  iron 

wire  core.

[10]


  In  both  designs,  the  magnetic  flux  linking  the  primary  and  secondary 

windings  traveled  almost  entirely  within  the  confines  of  the  iron  core,  with  no 

intentional  path  through  air  (see  Toroidal  cores  below).  The  new  transformers  were 

3.4 times more efficient than the open-core bipolar devices of Gaulard and Gibbs.

[12]

 

The  Ganz  factory  in  1884  shipped  the  world's  first  five  high-efficiency  AC 



transformers.

[13]


 This first unit had been manufactured to the following specifications: 

1,400 W, 40 Hz, 120:72 V, 11.6:19.4 A, ratio 1.67:1, one-phase, shell form.

[13]

 

The  ZBD  patents  included  two  other  major  interrelated  innovations:  one 



concerning  the  use  of  parallel  connected,  instead  of  series  connected,  utilization 

loads, the other concerning the ability to have high turns ratio transformers such that 

the supply network voltage could be much higher (initially 1,400 to 2,000 V) than the 

voltage  of  utilization  loads  (100  V  initially  preferred).

[14][15]

  When  employed  in 

parallel  connected  electric  distribution  systems,  closed-core  transformers  finally 

made it technically and economically feasible to provide electric power for lighting in 

homes, businesses and public spaces.

[16][17]


 

The  other  essential  milestone  was  the  introduction  of  'voltage  source,  voltage 

intensive'  (VSVI)  systems'

[18]


  by  the  invention  of  constant  voltage  generators  in 

1885.


[19]

 Ottó Bláthy also invented the first AC electricity meter.

[20][21][22][23]

 

The  AC  power  systems  was  developed  and  adopted  rapidly  after 1886  due to 



its  ability  to  distribute  electricity  efficiently  over  long  distances,  overcoming  the 

limitations of thedirect current system. In 1886, the ZBD engineers designed, and the 

Ganz  factory  supplied  electrical  equipment  for,  the  world's  first  power  station  that 

used  AC  generators  to  power  a  parallel  connected  common  electrical  network,  the 

steam-powered  Rome-Cerchi  power  plant.

[24]


  The  reliability  of  the  AC  technology 

received impetus after the Ganz Works electrified a large European metropolis: Rome 

in 1886.

[24]


 

362 

 

The city lights of Prince George, British Columbia viewed in a motion blurred 



exposure. The AC blinking causes the lines to be dotted rather than continuous. 

 

Westinghouse 



Early 

AC 


System 

1887 


(US patent 373035) 

In the UK Sebastian de Ferranti, who had been developing AC generators and 

transformers  in  London  since  1882,  redesigned  the  AC  system  at  the  Grosvenor 

Gallery power station in 1886 for the London Electric Supply Corporation (LESCo) 

including  alternators  of  his  own  design  and  transformer  designs  similar  to  Gaulard 

and  Gibbs.

[25]

  In  1890  he designed  their  power  station  at  Deptford



[26]

  and  converted 

the  Grosvenor  Gallery  station  across  the  Thames  into  an  electrical  substation, 

showing the way to integrate older plants into a universal AC supply system.

[27]

 

In  the  US  William  Stanley,  Jr.  designed  one  of  the  first  practical  devices  to 



transfer  AC  power  efficiently  between  isolated  circuits.  Using  pairs  of  coils  wound 

on  a  common  iron  core,  his  design,  called  an  induction  coil,  was  an  early  (1885) 

transformer. Stanley also worked on engineering and adapting European designs such 

as the Gaulard and Gibbs transformer for US entrepreneur George Westinghouse who 

started  building  AC  systems  in  1886.  The  spread  of  Westinghouse  and  other  AC 

systems triggered a push back in late 1887 by Thomas Edison (a proponent of direct 

current)  who  attempted  to  discredit  alternating  current  as  too  dangerous  in  a  public 

campaign called the "War of Currents". 

In 1888 alternating current systems gained further viability with introduction of 

a functional AC motor, something these systems had lacked up till then. The design, 

an induction motor, was independently invented by Galileo Ferraris and Nikola Tesla 

(with  Tesla's  design  being  licensed  by  Westinghouse  in  the  US).  This  design  was 

further  developed  into  the  modern  practical  three-phase  form  by  Mikhail  Dolivo-

Dobrovolsky and Charles Eugene Lancelot Brown.

[28]

 

The  Ames  Hydroelectric  Generating  Plant  (spring  of  1891)  and  the  original 



Niagara  Falls  Adams  Power  Plant  (August  25,  1895)  were  among  the  first 

hydroelectric AC-power plants. The first commercial power plant in the United States 

using  three-phase  alternating  current  was  the  hydroelectric  Mill  Creek  No.  1 


363 

Hydroelectric Plant near Redlands, California, in 1893 designed by Almirian Decker. 

Decker's  design  incorporated  10,000-volt  three-phase  transmission  and  established 

the  standards  for  the  complete  system  of  generation,  transmission  and  motors  used 

today. 

The  Jaruga  Hydroelectric  Power  Plant  in  Croatia  was  set  in  operation  on  28 



August  1895.  The  two  generators  (42  Hz,  550  kW  each)  and  the  transformers  were 

produced and installed by the Hungarian company Ganz. The transmission line from 

the power plant to the City ofŠibenik was 11.5 kilometers (7.1 mi) long on wooden 

towers, and the municipal distribution grid 3000 V/110 V included six transforming 

stations. 

Alternating current circuit theory developed rapidly in the latter part of the 19th 

and  early  20th  century.  Notable  contributors  to  the  theoretical  basis  of  alternating 

current  calculations  include  Charles  Steinmetz,  Oliver  Heaviside,  and  many 

others.

[29][30]


  Calculations  in  unbalanced  three-phase  systems  were  simplified  by  the 

symmetrical componentsmethods discussed by Charles Legeyt Fortescue in 1918. 



 

Electromagnetic waves 

The physics of electromagnetic radiation is electrodynamics. Electromagnetism 

is  the  physical  phenomenon  associated  with  the  theory  of  electrodynamics.  Electric 

and  magnetic  fields  obey  the  properties  of  superposition.  Thus,  a  field  due  to  any 

particular particle or time-varying electric or magnetic field contributes to the fields 

present  in  the  same  space due  to other  causes.  Further,  as they  are  vector  fields,  all 

magnetic  and  electric  field  vectors  add  together  according  to  vector  addition.  For 

example, in optics two or more coherent lightwaves may interact and by constructive 

or destructive interference yield a resultant irradiance deviating from the sum of the 

component irradiances of the individual lightwaves.  

Since light is an oscillation it is not affected by travelling through static electric 

or  magnetic  fields  in  a  linear  medium  such  as  a  vacuum.  However,  in  nonlinear 

media, such as some crystals, interactions can occur between light and static electric 

and  magnetic  fields  —  these  interactions  include  the  Faraday  effect  and  the  Kerr 

effect.  

In refraction, a wave crossing from one medium to another of different density 

alters  its  speed  and  direction  upon  entering  the  new  medium.  The  ratio  of  the 

refractive indices of the media determines the degree of refraction, and is summarized 

by  Snell's  law.  Light  of  composite  wavelengths  (natural  sunlight)  disperses  into  a 

visible  spectrum  passing  through  a  prism,  because  of  the  wavelength-dependent 

refractive  index  of  the  prism  material  (dispersion);  that  is,  each  component  wave 

within the composite light is bent a different amount.

[citation needed]

 

EM radiation exhibits both wave properties and particle properties at the same 



time  (see  wave-particle  duality).  Both  wave  and  particle  characteristics  have  been 

confirmed  in  many  experiments.  Wave  characteristics  are  more  apparent  when  EM 

radiation is measured over relatively large timescales and over large distances while 

particle  characteristics  are  more  evident  when  measuring  small  timescales  and 

distances.  For  example,  when  electromagnetic  radiation  is  absorbed  by  matter, 

particle-like properties will be more obvious when the average number of photons in 



364 

the cube of the relevant wavelength is much smaller than 1. It is not too difficult to 

experimentally  observe  non-uniform  deposition  of  energy  when  light  is  absorbed, 

however  this  alone  is  not  evidence  of  "particulate"  behavior.  Rather,  it  reflects  the 

quantum  nature  of  matter.

[1]


  Demonstrating  that  the  light  itself  is  quantized,  not 

merely its interaction with matter, is a more subtle affair. 

Some  experiments  display  both  the  wave  and  particle  natures  of 

electromagnetic  waves,  such  as  the  self-interference  of  a  singlephoton.

[2]

  When  a 



single  photon  is  sent  through  an  interferometer,  it  passes  through  both  paths, 

interfering  with  itself,  as  waves  do,  yet  is  detected  by  a  photomultiplier  or  other 

sensitive detector only once. 

A  quantum  theory  of  the  interaction  between  electromagnetic  radiation  and 

matter such as electrons is described by the theory ofquantum electrodynamics.  

Electromagnetic  waves  can  be  polarized,  reflected,  refracted,  diffracted  or 

interfere with each other. 

 

Geometrical optics 

Glossy surfaces such as mirrors reflect light in a simple, predictable way. This 

allows for production of reflected images that can be associated with an actual (real) 

or extrapolated (virtual) location in space. 

With such surfaces, the direction of the reflected ray is determined by the angle 

the incident ray makes with the surface normal, a line perpendicular to the surface at 

the point where the ray hits. The incident and reflected rays lie in a single plane, and 

the  angle  between  the  reflected  ray  and  the  surface  normal  is  the  same  as  that 

between the incident ray and the normal.

[3]

 This is known as the Law of Reflection. 



For flat mirrors, the law of reflection implies that images of objects are upright 

and the same distance behind the mirror as the objects are in front of the mirror. The 

image size is the same as the object size. (The magnification of a flat mirror is equal 

to  one.)  The  law  also  implies  that  mirror  images  are  parity  inverted,  which  is 

perceived as a left-right inversion. 

Mirrors with curved surfaces can be modeled by ray tracing and using the law 

of reflection at each point on the surface. For mirrors with parabolic surfaces, parallel 

rays incident on the mirror produce reflected rays that converge at a common focus. 

Other curved surfaces may also focus light, but with aberrations due to the diverging 

shape  causing  the  focus  to  be  smeared  out  in  space.  In  particular,  spherical  mirrors 

exhibit  spherical  aberration.  Curved  mirrors  can  form  images  with  magnification 

greater  than  or  less  than  one,  and  the  image  can  be  upright  or  inverted.  An  upright 

image formed by reflection in a mirror is always virtual, while an inverted image is 

real and can be projected onto a screen. 

 

Wave optics 

As we explained in a previous atom, diffraction is defined as the bending of a 

wave  around  the  edges  of  an  opening  or  obstacle.  Diffraction  is  a  phenomenon  all 

wave types can experience. It is explained by the Huygens-Fresnel Principle, and the 

principal of superposition of waves. The former states that every point on a wavefront 

is  a  source  of  wavelets.  These  wavelets  spread  out  in  the  forward  direction,  at  the 



365 

same  speed  as  the  source  wave.  The  new  wavefront  is  a  line  tangent  to  all  of  the 

wavelets.  The  superposition  principle  states  that  at  any  point,  the  net  result  of 

multiple stimuli is the sum of all stimuli. 

Single Slit Diffraction 

In single slit diffraction, the diffraction pattern is determined by the wavelength 

and by the length of the slit. Figure 1 shows a visualization of this pattern. This is the 

most simplistic way of using the Huygens-Fresnel Principle, which was covered in a 

previous  atom,  and  applying it  to  slit  diffraction.  But  what happens  when the  slit  is 

NOT the exact (or close to exact) length of a single wave? 

 

 

Single Slit Diffraction - One Wavelength 



Visualization of single slit diffraction when the slit is equal to one wavelength. 

 

6. Atomic physics 



 Charged particles  

In  particle  physics,  an  elementary  particle  or  fundamental  particle  is  a 

particle whose substructure is unknown, thus it is unknown whether it is composed of 

other  particles.

[1]

  Known  elementary  particles  include  the  fundamental  fermions 



(quarks,leptons,  antiquarks,  and  antileptons),  which  generally  are  "matter  particles" 

and "antimatter particles", as well as the fundamental bosons (gauge bosons and the 

Higgs  boson),  which  generally  are  "force  particles"  that  mediate  interactionsamong 

fermions.

[1]

  A  particle  containing  two  or  more  elementary  particles  is  a  composite 



particle

Everyday  matter  is  composed  of  atoms,  once  presumed  to  be  matter's 

elementary  particles—atom  meaning  "unable  to  cut"  in  Greek—although  the  atom's 

existence  remained  controversial  until  about  1910,  as  some  leading  physicists 

regarded molecules as mathematical illusions, and matter as ultimately composed of 

energy.


[1][2]

  Soon,  subatomic  constituents  of  the  atom  were  identified.  As  the  1930s 

opened,  the  electron  and  the  proton  had  been  observed,  along  with  the  photon,  the 

particle  of  electromagnetic  radiation.

[1]

  At  that  time,  the  recent  advent  of  quantum 



mechanics was radically altering the conception of particles, as a single particle could 

seemingly  span  a  field  as  would  a  wave,  a  paradox  still  eluding  satisfactory 

explanation.

[3][4][5]

 


366 

Via  quantum  theory,  protons  and  neutrons  were  found  to  contain  quarks—up 

quarks  and  down  quarks—now  considered  elementary  particles.

[1]


  And  within  a 

molecule, the electron's three degrees of freedom (charge, spin, orbital) can separate 

viawavefunction  into  three  quasiparticles  (holon,  spinon,  orbiton).

[6]


  Yet  a  free 

electron—which,  not  orbiting  an  atomic  nucleus,  lacks  orbital  motion—appears 

unsplittable and remains regarded as an elementary particle.

[6]


 

Around  1980,  an  elementary  particle's  status  as  indeed  elementary—an 



ultimate  constituent  of  substance—was  mostly  discarded  for  a  more  practical 

outlook,


[1]

  embodied  in  particle  physics'  Standard  Model,  science's  most 

experimentally  successful  theory.

[5][7]


  Many  elaborations  upon  and  theories  beyond 

the  Standard  Model,  including  the  extremely  popular  supersymmetry,  double  the 

number of elementary particles by hypothesizing that each known particle associates 

with a "shadow" partner far more massive,

[8][9]

 although all such superpartners remain 



undiscovered.

[7][10]


  Meanwhile,  an  elementary  boson  mediating  gravitation—the 

graviton—remains hypothetical.

[1

 

All  elementary  particles  are—depending  on  their  spin—either  bosons  or 



fermions.  These  are  differentiated  via  the  spin–statistics  theorem  of  quantum 

statistics.  Particles  of  half-integer  spin  exhibit  Fermi–Dirac  statisticsand  are 

fermions.

[1]


  Particles  of  integer  spin,  in  other  words  full-integer,  exhibit  Bose–

Einstein statistics and are bosons.

[1]

 



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