Практические потребности актуализировали исследования в области тепловых явлений. Машиностроение и химическая промышленность нуждались в методах точного измерения тепловых величин, прежде всего измерения температуры. Потребности метеорологии, химии.
медицины также требовали совершенствования измерения температуры. Развитие термохимии (Фарангейт, Делиль, Ломоносов, Реомюр, Цельсий) основывалось на использовании теплового расширения тел. Совершенствование паровой машины Ньюкомена, использовавшейся более полувека без изменений, требовало создания количественной теории тепловых явлений.
Дж.Блэк, изучая природу теплоты, установил, что различные виды вещества нагреваются в разной степени одним и тем же количеством теплоты, что позволило ему выявить теплоемкость различных видов вещества, т.е. количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на один градус по Цельсию или Кельвину. Он установил, что при таянии льда и снега в течение определенного времени они поглощают тепло, не становясь при этом теплее. Это позволило ему обнаружить скрытое (латентное) состояние теплоты. Блэк понимал теплоту как некую материальную субстанцию (“субстанцию теплоты”). А. Лавуазье называл ее теплородом. Попытки взвесить ее оказались неудачными, поэтому теплоту стали рассматривать как особого рода невесомую неуничтожаемую жидкость, способную перетекать от нагретых тел к холодным. Лавуазье считал, что подобная концепция была в полном соответствии с его идеей получения теплоты с помощью химических соединений. Увлечение этой концепцией оказалось столь велико, что кинетическая теория теплоты, в рамках которой теплота представлялась как определенный вид движения частиц, отступила на второй план, несмотря на то, что ее разделяли Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов.
Почему же концепция теплорода все-таки утвердилась, хотя и на время? П. С.
Кудрявцев дает следующее объяснение. Для физического мышления XVIII века было характерно оперирование различными субстанциями – электрическими, магнитными, световыми, тепловыми. Свет, электричество, магнетизм, теплоту научились измерять.
Это позволило уподобить невесомые феномены обычным массам и жидкостям, что способствовало развитию эксперимента и накоплению необходимых фактов. Иначе говоря, концепция невесомых жидкостей оказалась необходимым этапом в развитии физических концепций.
11. Концепция единого универсального взаимодействия частиц вещества р.Бошковича
Развитие учения о теплоте привело к постановке как сторонниками теплородной, так и кинетической концепции теплоты вопросов о строении вещества, о причинах таких свойств тел, как прочность, упругость, сопротивляемость и т. д. вне зависимости от интенсивности теплового движения.
Учения Декарта, Галилея, Ньютона не давали ответов на эти вопросы. Бернулли такое свойство как упругость приписывал атомам. Лейбниц утверждал.
что представление о существовании неделимых атомов неверно, поэтому связывание физических свойств тел с величиной атомов бессмысленно. Р. Бошкович сформулировал идею об едином универсальном законе взаимодействия частиц вещества, на основе которого он пытался дать объяснение физическим свойствам вещества.
Концепция Бошковича родственна представлениям Лейбница о существовании непротяженных первых простых элементов и ньютоновским представлениям об изменяющихся с расстоянием силах. Бошкович исходил из признания существования закона взаимодействия, действующего между любой парой точечных частиц – первых элементов материи, неделимых и непротяженных. На минимальных расстояниях между частицами действует сила отталкивания, неограниченно возрастающая при их сближении.
С увеличением расстояния между частицами данная сила отталкивания убывает, постепенно переходя в силу притяжения, которая с дальнейшим увеличением расстояния уменьшается и постепенно превращается в силу отталкивания. Т. е.
сила взаимодействия многократно меняет знак на сравнительно небольших расстояниях. При достижении определенного расстояния между двумя частицами сила взаимодействия становится притягательной, убывающей, в соответствии с законом тяготения, обратно пропорционально квадрату расстояния. Рациональный смысл концепции Бошковича заключался в осознании того, что в природе нет абсолютно жестких неизменяемых тел, что любое тело является системой, состоящей из находящихся в подвижном равновесии частиц.
Концепция Бошковича представляла собой физическую гипотезу, на основе которой делалась попытка объяснить физические свойства вещества. Поэтому, в отличие от ньютонианцев, стремившихся свести задачи движения и взаимодействия тел к математической форме, Бошкович стремился механические задачи свести к физике сил взаимодействия. Поскольку в это время не было достаточных данных ни о строении вещества, ни о силах, действующих между частицами, концепция Бошковича по отношению к магистральной линии развития физики этого времени оказалась маргинальной.
Если практическая теплотехника вплотную подошла к решению проблемы универсального двигателя, то теория вопроса о превращении тепла в механическую работу значительно отставала.
В указанный период исследования тепловых явлений значительно уступали исследованиям в области механики. Теория теплоты находилась еще в зачаточном состоянии. Медленно развивалась термометрия, поскольку еще не существовало различия в понятиях о температуре и количестве тепла, не было представления о теплоемкости.
Первый термометр (вернее, термоскоп, поскольку он не имел шкалы) был продемонстрирован Галилеем в 1657 г.
Ньютон принял за 0° своего термометра с льняным маслом постоянную температуру плавления снега, а в качестве другой постоянной точки взял температуру человеческого тела. Далее, Ньютон устроил первый пирометр, основанный на законе охлаждения нагретого стержня, и открыл зависимость эффекта охлаждения от времени и разности температур охлаждающегося тела и окружающей его среды.
Г. Амонтон впервые отчетливо высказал мысль о том, что термометр измеряет не количество тепла, а степень нагретости тел. Свой газовый термометр Амонтон основал на открытой им пропорциональности между упругостью газа и его температурой и в качестве постоянных точек впервые принял точки кипения воды и плавления льда.
В 1714 г. Д. Фаренгейт изготовил ртутный термометр с 0° при температуре смеси льда, воды и нашатыря; позднее он ввел точку кипения воды, обозначив ее 212°.
Шкала Фаренгейта и поныне употребляется в Англии и США. Р. Реомюр дал метод градуирования спиртовых термометров с 0° при замерзании воды и 80° при кипении ее.
Наконец, в 1742 г. А. Цельсий ввел стоградусную шкалу с 0° при замерзании воды и 100° при кипении её.
Начало исследованиям в области калориметрии было положено работами Г. В. Рихмана, впервые опубликованными в «Новых комментариях» Петербургской академии. 1750 г. Рихманом была правильно решена задача о температуре смеси двух различных масс воды ти т при разных температурах t и tи дана общеизвестная формула:
Позднее Делюк открыл постоянство температуры тающего льда. Химик Д. Блек, проверяя правило Рихмана в условиях смешения воды со льдом, открыл теплоту таяния льда, назвав ее «скрытой теплотой».
Позднее он же нашел «скрытую» теплоту парообразования водяного пара. Ученик Блека Ирвин ввел термин «теплоемкость», а в 1784 г. Гадолин ввел термин «удельная теплота».
Калориметрия расширила круг экспериментальных исследований тепловых явлений и вначале явилась опытной поддержкой теории теплорода. Тем ни менее, эта теория послужившей для правильного объяснения распространения теплоты от сред с более высокими температурами к средам с более низкими и составления баланса тепла при его переходе от одного носителя к другому. Последующее более глубокое развитие знаний привело к доказательству несостоятельности теплорода как особой невесомой материи и становлению кинетической теории тепла.
Практика тепловых двигателей вносила свои коррективы в ряд представлений ученых, что особенно отчетливо проявилось в развитии учения о водяном паре. Паровые двигатели, как было показано, начали свое развитие, отталкиваясь от понятия об «упругой силе пара». Однако сведения о природе пара были крайне бедными и неточными. Некоторые ученые, например, принимали пар за воздух, выделяющийся из воды при ее кипячении.
В результате широкого распространения парового универсального двигателя начались детальные исследования свойств водяного пара. Тогда же началось исследование и свойств газов. Кинетическая теория тепла возникла не сразу.
Ее проявления видны в трудах ряда ученых, например, Ф. Бэкона, Р. Бойля, X.
Гюйгенса. Значителен вклад М. В.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Если практическая теплотехника вплотную подошла к решению проблемы универсального двигателя, то теория вопроса о превращении тепла в механическую работу значительно отставала.
В указанный период исследования тепловых явлений значительно уступали исследованиям в области механики. Теория теплоты находилась еще в зачаточном состоянии. Медленно развивалась термометрия, поскольку еще не существовало различия в понятиях о температуре и количестве тепла, не было представления о теплоемкости.
Первый термометр (вернее, термоскоп, поскольку он не имел шкалы) был продемонстрирован Галилеем в 1657 г.
Ньютон принял за 0° своего термометра с льняным маслом постоянную температуру плавления снега, а в качестве другой постоянной точки взял температуру человеческого тела. Далее, Ньютон устроил первый пирометр, основанный на законе охлаждения нагретого стержня, и открыл зависимость эффекта охлаждения от времени и разности температур охлаждающегося тела и окружающей его среды.
Г. Амонтон впервые отчетливо высказал мысль о том, что термометр измеряет не количество тепла, а степень нагретости тел. Свой газовый термометр Амонтон основал на открытой им пропорциональности между упругостью газа и его температурой и в качестве постоянных точек впервые принял точки кипения воды и плавления льда.
В 1714 г. Д. Фаренгейт изготовил ртутный термометр с 0° при температуре смеси льда, воды и нашатыря; позднее он ввел точку кипения воды, обозначив ее 212°.
Шкала Фаренгейта и поныне употребляется в Англии и США. Р. Реомюр дал метод градуирования спиртовых термометров с 0° при замерзании воды и 80° при кипении ее.
Наконец, в 1742 г. А. Цельсий ввел стоградусную шкалу с 0° при замерзании воды и 100° при кипении её.
Начало исследованиям в области калориметрии было положено работами Г. В. Рихмана, впервые опубликованными в «Новых комментариях» Петербургской академии. 1750 г. Рихманом была правильно решена задача о температуре смеси двух различных масс воды ти т при разных температурах t и tи дана общеизвестная формула:
Позднее Делюк открыл постоянство температуры тающего льда. Химик Д. Блек, проверяя правило Рихмана в условиях смешения воды со льдом, открыл теплоту таяния льда, назвав ее «скрытой теплотой».
Позднее он же нашел «скрытую» теплоту парообразования водяного пара. Ученик Блека Ирвин ввел термин «теплоемкость», а в 1784 г. Гадолин ввел термин «удельная теплота».
Калориметрия расширила круг экспериментальных исследований тепловых явлений и вначале явилась опытной поддержкой теории теплорода. Тем ни менее, эта теория послужившей для правильного объяснения распространения теплоты от сред с более высокими температурами к средам с более низкими и составления баланса тепла при его переходе от одного носителя к другому. Последующее более глубокое развитие знаний привело к доказательству несостоятельности теплорода как особой невесомой материи и становлению кинетической теории тепла.
Практика тепловых двигателей вносила свои коррективы в ряд представлений ученых, что особенно отчетливо проявилось в развитии учения о водяном паре. Паровые двигатели, как было показано, начали свое развитие, отталкиваясь от понятия об «упругой силе пара». Однако сведения о природе пара были крайне бедными и неточными. Некоторые ученые, например, принимали пар за воздух, выделяющийся из воды при ее кипячении.
В результате широкого распространения парового универсального двигателя начались детальные исследования свойств водяного пара. Тогда же началось исследование и свойств газов. Кинетическая теория тепла возникла не сразу.
Ее проявления видны в трудах ряда ученых, например, Ф. Бэкона, Р. Бойля, X.
Гюйгенса. Значителен вклад М. В.
Уже в донаучном опыте было известно различие между теплыми и холодными телами и уравновешивание, которое наступало при соприкосновении различно нагретых тел. Было известно даже, что если тело А находится в тепловом равновесии с двумя другими телами, Б и С, то В и С также находятся в равновесии между собой. Это эмпирическое знание еще до появления собственно научного исследования привело к установлению «степеней теплоты» на одномерной шкале, т. е. к созданию качественного понятия температуры, при котором можно было говорить о более высокой или более низкой температуре, не связывая ее с мерой и числом.
С возникновением научного исследования появилась потребность измерять температуру количественно. Галилео Галилей (1564-1642), Еванжелиста Торри-челли (1608-1674), Отто Герике (1602-1686) и многие их современники стремились построить термометры; в основу они положили тепловое расширение жидкостей и газов, которым в большинстве случаев пользуются и сейчас. Правда, в этих первых термометрах не были устранены многие побочные влияния, например влияние давления воздуха, и поэтому они давали лишь условно применимые результаты.
Приходилось также сталкиваться с техническими трудностями согласования показаний термометров одной и той же конструкции. Первым, кто преодолел эти трудности и всякие нарушающие влияния и тем самым стал основате-.
лем термометрии, был Габриэль Даниэль Фаренгейт (1686-1736), работы которого относятся к 1709 г. Его конструкция применяется и теперь в комнатных термометрах. Это было первым шагом науки о теплоте.
Эти термометры давали возможность установить постоянные метки на температурной шкале, что было чем-то подобным открытию линий Фраунгофера в спектре (гл. 4). Эти метки сопоставлялись с числами, но всегда оставалась одна проблема, имеющая сходство с проблемой измерения времени, несмотря на чисто эмпирический характер понятия температуры.
Ведь в обоих случаях – так же, как и в случае спектра – физика стоит перед одномерным континуумом и должна охватить его мерой и числом. И здесь ведущим является стремление приспособить эту систему мер для возможно более простой формулировки законов природы.
Но более старые температурные шкалы были все без исключения произвольными. Произвольным являлось уже то, что именно тепловое расширение использовалось для измерения температуры. Ведь эту роль могли выполнять и другие свойства тел; для высоких или крайне низких температур в настоящее время часто вместо расширения применяют электродвижущую силу термоэлементов или электрическое сопротивление болометрической проволоки. При использовании теплового расширения произвол заключался и в выборе термометрического вещества: ртути, спирта, газа. Произвол отчасти был устранен, когда применили «идеальные газы»; их тепловое расширение происходит одинаково, как показали измерения, опубликованные в 1801 г. Джоном Дальтоном (1766-‘1844) и в 1802 г. Жозефом Луи Гей-Люссаком (1778-1850). В 1842 г. с повышенной точностью их подтвердил Генрих Густав Магнус (1802-1870) и независимо от него Аири Виктор Реньо (1810-1870). Здесь имеют дело, по крайней мере, со свойством не одного тела. Для этой проблемы является второстепенным, принимается ли за нулевую точку шкалы температура определенной охлаждающей
смеси, как это делает Фаренгейт, или точка замерзания воды, как это делают Рене Реомюр (1683-1757) и Андерс Цельсий (1701-1744). Другой фиксированной точкой считается температура кипящей воды: 212, 80 или 100 градусов. Проблема была решена лишь в 1854 г.
вторым законом термодинамики, о котором будет речь в главе 9. Он позволил ввести естественную температурную шкалу для измерения количеств теплоты.
Второй большой шаг в учении о теплоте сделал вскоре после 1760 г. Джозеф Блэк (1728-1799), который ясно указал на различие между количеством тепла и температурой. Единица количества теплоты – калория – была определена как количество теплоты, которое нагревает один грамм воды на один градус Цельсия.
Согласно этому определению она зависит от измерения температуры, но только кажущимся образом. Открытие Майером в 1842 г. эквивалентности теплоты и энергии дало возможность измерять количество теплоты механическими единицами.
Таким образом, измерение температуры принципиально было также сведено к механическому измерению. Классическим инструментом для измерения количества теплоты является ледяной калориметр, описанный в 1780 г. Антуаном Лораном Лавуазье (1743-1794) и Пьером Симоном Лапласом (1749-1827).
Понятия удельной и скрытой теплоты при таянии и испарении были введены независимо друг от друга Блэком и И. К. Вильке.
Остановимся несколько подробнее на определении, которое дает температуре второе начало термодинамики. При этом рассматривают обратимый круговой процесс, в котором тело сначала расширяется изотермически, получая определенное количество тепла, а потом продолжает расширяться без получения или отдачи тепла, затем при отдаче тепла изотермически сжимается и, наконец, испытывает дальнейшее сжатие без теплового обмена с окружающей средой как раз таким образом, что возвращается в начальное состояние. Согласно определению, температуры обоих изотермических изменений состояния относятся между собой как полученное количество тепла к отданному.
Закон устанавливает, что это отношение не зависит от рода тела, которое подвергают круговому процессу. Температура определяется с помощью коэффициента пропорциональности, который выбирают таким образом, чтобы разность температур между точками замерзания и кипения воды равнялась 100 градусам. Так получается абсолютная термодинамическая температурная шкала; для Германии она закреплена в качестве официальной шкалы государственным законом от 7 августа 1924 г.
Измерения показывают, что точка замерзания воды по этой шкале соответствует 273 градусам. Для обыденной жизни с этой шкалой достаточно хорошо согласуются данные ртутного и спиртового термометров, имеющих деления по Цельсию.
Оба количества теплоты, посредством которых определяется температура, являются, как показывает опыт, всегда положительными величинами. Не существует никаких отрицательных абсолютных температур; термодинамическая шкала имеет абсолютную нулевую точку. Этого можно было бы избежать, если за меру температуры принять приближенную функцию этой температуры, например ее логарифм, что является вполне возможным, так как не противоречит никакому закону природы.
Если так не поступают, то это происходит потому, что в нашем понятии температуры имеется еще конвенциональный элемент, как правильно указал Эрнст Мах (1838-1916). Если бы это сделали, то шкала уходила бы в бесконечность в направлении отрицательной температуры и можно было бы избежать иллюзии, что нельзя дальше охлаждать тело при достижении, скажем, 1° К. Уже теперь достигнуты гораздо более низкие температуры.
Фактически абсолютная нулевая точка недостижима, как это показал в 1906 г. Вальтер Нернст (1864-1941).
Блэк и его современники считали теплоту неразрушимым и несоздаваемым веществом, так как, согласно опыту, при выравнивании температур одно тело получает точно столько же теплоты, сколько другое отдает. Даже в случае созданной Джемсом Уаттом (1736-1819) паровой машины, совершившей в 1770 г. переворот в экономике, сначала никто не признавал, что подведенная к паровому котлу теплота частично превращается в механическую работу и как теплота, таким образом, теряется.
Из-за этого заблуждения гениальная интуиция Сади Карно (1796-1832) о том, что работа паровой машины определяется всеобщим законом перехода тепла от более высоких к более низким температурам, сначала не принесла никаких плодов. Лишь после открытия эквивалентности теплоты и энергии Рудольф Клаузиус (1822-1888) смог вывести отсюда второе начало (гл. 9).
Совершенно другим и совсем не простым вопросом является вопрос о практическом применении термодинамической температурной шкалы. Использованный для ее определения круговой процесс есть мысленный опыт, который нельзя выполнить ни в одном случае с полнейшей точностью. Но все же развитие термодинамики дало средства и пути для перехода от других шкал к термодинамической.
Мы не будем здесь заниматься этим, но только укажем, что при измерении высоких температур с большим успехом используют тепловое излучение, тем более, что оно связано с температурой источника излучения простыми и теоретически хорошо обоснованными законами (гл. 13). Таким путем приходят также к определению температур звезд, что имеет величайшее значение для астрономии.
Старейшими средствами понижения температуры были охлаждающие смеси и охлаждение быстро испаряющихся жидкостей. Когда такого рода возможности были исчерпаны, их место постепенно заняло открытое в 1852 г. Джемсом Прескотом Джоулем (1818-1889) и Вильямом Томсоном (позднее лорд Кельвин, 1824- 1907) и по их имени названное явление.
Предварительно достаточно охлажденный газ при выпускании через насадку переходит из области более высокого давления в область более низкого давления и при этом происходит небольшое охлаждение. Отсюда постепенно развилась в XIX столетии холодильная техника, для промышленного развития которой особенно много сделал Карл Линде (1842-1934). Характерной частью холодильной машины является «противоток», в котором уже испытавшие расширение и охлаждение части газа охлаждают те части газа, которые еще не испытывали расширения.
Можно этот процесс продолжать до тех пор, пока будет достигнута критическая температура и газ будет частично превращен в жидкость. Таким способом в 1883 г. Зигмунд Флорентий Вроблевский (1845-1888) и Карл Станислав Ольшевский (1846-1915) достигли ожижения в значительных количествах «постоянных» газов – кислорода и азота; в 1898 г.
Джемс Дьюар (1842-1923) произвел ожижение водорода, а в 1908 г. Камерлинг-Оннес (1853-1926) осуществил чреватое большими последствиями ожижение гелия (гл. 5).
Если заставить кипеть одну из этих жидкостей под сниженным давлением, то можно получить температуры значительно более низкие, чем температуры ожижения. У водорода приходят приблизительно к 10°, у гелия к 0,7° абсолютной температуры.
Используя понятие температуры и представление о неразрушимости количества тепла, Жан Батист Био (1774-1862) в 1804 г. и в более законченной форме Жан Батист Джозеф Фурье (1768-1830) в 1807 и 1811 гг. основали математическую теорию теплопроводности.
Созданные ими для этой цели методы являются классическими вспомогательными средствами математической физики; это относится прежде всего к изображению произвольных функций в виде рядов или интегралов синусоидальных функций. В теории любого волнового процесса, будет ли это звук, волны на поверхности жидкостей или электромагнитные колебания, играет важную роль созданное Фурье разложение на чистые синусоидальные колебания, тем более, что каждый акустический резонатор, каждый оптический спектральный аппарат совершают это разложение автоматически (до известной степени). В дополнение к этому математика создала разложение функций в ряды «ортогональных» функций, которые теперь имеют огромное значение для решения уравнения Шредингера (гл.
Труд Фурье является примером того, как требования физики вызывают фундаментальный математический прогресс.
Источники:
