Развитие представлений о природе теплоты

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра физики

РЕФЕРАТ

по дисциплине «История физики»

Развитие представлений о природе теплоты

Выполнила

студентка группы Ф-41д

Базюра Е.А.

Проверил

Леонтович А.Л.

Севастополь

2006

ПЛАН

I. Введение

II. Основная часть

1. Изобретение термометра.

2. Опыты Румфорда и Дэви, Блэка. Идеи Рихмана.

3. Опыты Дюлонга и Пти.

4. Исследования Фурье.

5. Работы Сади Карно.

6. Исследования расширения тел при нагревании.

7. Вклад Джоуля в развитие представлений о теплоте.

8. Работы Клаузиуса и Томсона. Второе начало термодинамики.

9.Дальнейшее развитие теплофизики и атомистики.

III. Заключение

Список литературы

Введение

Тепловыми явлениями ученые и философы начали интересоваться еще в древности. Однако ничего кроме самых общих предположений об этих явлениях, носивших обычно самый фантастический характер, ни в древности, ни в средние века высказано не было. По-настоящему учение о тепловых явлениях начало развиваться только в XVIII в. По-настоящему учение о тепловых явлениях начало развиваться только в XVIII в. после изобретения первого теплоизмерительного прибора - термометра.

Широко поддерживаемой среди физиков того времени была теория теплорода.

Румфорд сделал крупный шаг вперед, предположив, что теплота -- это некое свойство самого вещества, а не что-то добавляемое к нему, он высказал предположение, что теплота это движение. Дэви был смелее Румфорда и высказал предположение, что теплота -- это «своеобразное, вероятно, колебательное движение мельчайших частиц тел».,

Закон Дюлонга и Пти, согласно которому теплоемкость С_V всех твердых тел при достаточно высокой температуре есть величина постоянная, не зависящая от температуры и составляющая около 3R25 Дж/( моль К) - значение Дюлога-Пти, был выведен в 1818г.

В начале XIX в. была создана теория теплопроводности французским ученым Жаном Батистом Фурье (1768--1830). Итогом его исследований явилась монография «Аналитическая теория теплоты», вышедшая в свет в 1822г. Что же касается взглядов Фурье на природу теплоты, то признавал теорию теплорода.

Значимый вклад в термодинамику внес Карно, его сочинения легли в основу термодинамики, также он ввел метод циклов.Второе начало термодинамики было высказано Клаузиусом («Это предположение, выставленное мною в качестве принципа, -- пишет Клаузиус в своем обобщающем труде, -- встретило много возражений, и мне пришлось его неоднократно защищать».) и развито в трудах Томсона.

Дальнейшее развитие теплофизики было бы невозможно без работ Больцмана, Максвелла, Гей-Люсака, Джоуля, Авогадро, Дальтона, Клапейрона, Берцелиуса, Бойля, Мариотта, Гассенди, Эндрюса, Ван-дер-Ваальса, Гесса и др.

Нельзя объять необъятное, поэтому в своем реферате я остановлюсь подробно только на работах некоторых из этих ученых.

Основная часть

1. Изобретение термометра

История изобретения термометра довольно длинная. Она начинается с изобретения Галилеем прибора, который можно назвать термоскопом. Прибор Галилея состоял из тонкой стеклянной трубки, один конец которой заканчивался шариком Открытый конец трубки опускался в сосуд с водой, которая заполняла и часть трубки. Когда воздух в шарике нагревался или охлаждался, столбик воды в трубке опускался или поднимался. После Галилея многие ученые конструировали подобного рода при боры, постепенно совершенствуя их. Стеклянные трубки стали снабжать шкалой, возникло представление о существовании постоянных температурных точек и т. д. Однако первые термометры были еще очень несовершенны. В их конструкциях не было единообразия, каждый изобретатель выбирал свои основные температурные точки и шкалы. Сравнивать показания различных термометров было практически нельзя.

Рис.2

Рисунок одного из ранних термометров

Рис.1 Термоскоп Галилея

Впервые практически пригодные термометры, дающие одинаковые показания, были изготовлены голландским мастером - стеклодувомвом Фаренгейтом в начале XVIII в. Термометры Фаренгейта имел современный вид. Фаренгейт использовал спирт или ртуть. В его шкале, которая в последующем получила распространение, за одну основную температурную точку была выбрана температура смеси воды, льда и поваренной соли, равная 0°. За вторую температурную точку он взял температуру смеси льда и воды, которую принял за 32°. Температура человеческого тела по шкале Фаренгейта равна 96°. Эту температуру он принял за третью основную температурную точку. При такой шкале температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении оказалась равной 212°.

Новый способ изготовления и калибровки термометров предложил француз Реомюр в 1730 г. Он принял одну постоянную точку -- температуру таяния льда, а за один градус считал температуру, соответствующую расширению спирта на одну тысячную долю своего объема. Определяя затем температуру кипения воды, он получил ее равной 80°. Эта шкала температур: 0° -- температура таяния льда и 80° -- температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении -- стала называться шкалой Реомюра.

В 1742 г. шведский астроном Цельсий предложил стоградусную шкалу температур, по которой за 0° принималась температура кипения воды, а за 100° -- температура таяния льда. Современная стоградусная шкала, носящая название шкалы Цельсия, была введена несколько позже. В XVIII в. предлагались и другие температурные шкалы, но они не удержались в процессе развития термометрии, Интересно отметить, что появление и усовершенствование термометра в значительной степени было обусловлено его применением для метеорологичеких исследований Первоначально термометр вместе с барометром и гигрометром часто рассматривали как метеорологический прибор. Так, например, в «Экспериментальной физике» X. Вольфа описание термометра помещено в части, носящей Название «Об опытах и наблюдениях около перемен атмосферы». Термометр, конечно, нашел и другие применения. Его стали использовать в быту, медицине, для физических исследований и т. д. Однако еще в 70-х годах в немецком изданий «Элементов химии» Бургаве автор писал, I что термометр «является, как известно физико-математическим прибором, принадлежащим к аэрометрии». (Изобретение термометра дало возможность заняться количественными исследованиями тепловых явлений.)

Вплоть до середины XIX столетия многие считали теплоту своего рода материальной субстанцией, добавляемой к веществу: считалось, что нагревание тела связано с добавлением этой субстанции, известной под названием теплорода. Дальтон в 1802 г. рисовал схематическое изображение атомов, окружая их атмосферой из теплоты. Хотя это было примитивное представление, его можно было подтвердить экспериментально; на нем основывается составление уравнений теплового баланса. Карно (1796--1832), трактат которого «О движущей силе огня» до сих пор образует одну из основ физической науки, верил в теплород, хотя впоследствии пересмотрел свои представления. Родственным теплороду был флогистон; как полагали, он представляет собой субстанцию, отдаваемую веществом в процессе горения. Флогистон в отличие от теплорода можно было измерять, но возникла трудность, заключавшаяся в том, что вес флогистона оказывался то отрицательным, то положительным. Теория флогистона была явно противоречивой и продолжала существовать только потому, что никто не мог придумать ничего лучшего.

2. Опыты Румфорда и Дэви, Блэка. Идеи Рихмана

Первый шаг сделал Румфорд (1753--1814) в конце XVIII столетия. Идея опыта возникла опять-таки из самого обычного наблюдения, которое, наверное, делали многие до Румфорда, но не придавали ему особого значения. Речь идет о теплоте, возникающей при сверлении отверстия в куске металла. Румфорд, в частности, занимался сверлением пушечных стволов в военной мастерской в Мюнхене и заметил, что температура металла очень сильно повышается. Откуда бралась теплота? Источников теплорода, очевидно, не было.

Одно из предположений заключалось в том, что мелкие металлические стружки, образующиеся при сверлении, обладали меньшим сродством к теплороду, чем массивный металл, в котором сверлили отверстие. Таким образом, при сверлении металла выделяется теплород, в результате чего происходит повышение температуры. Румфорд придумал простой способ проверить это предположение. Если взять тупое сверло, рассуждал он, то стружек образуется мало и повышение температуры должно быть меньше. Румфорд проделал опыт: температура поднялась еще выше. Очевидно, теория теплорода не годилась.

Румфорд вспомнил более ранние теории Бойля и других ученых, согласно которым теплота связана с колебаниями частиц. Дальнейшие опыты убедили его в том, что теплота может создаваться без ограничений, и в конечном счете он высказал смелое утверждение, что «теплота есть ДВИЖЕНИЕ» (это слово выделил сам Румфорд).

Это утверждение часто приводят как свидетельство большой проницательности Румфорда. Может быть, это и так, но оно свидетельствует также о большой осторожности. Какого рода движение представляет собой теплота? Как оно получается? Что происходит с этим движением, когда тело остывает? Ни одного из этих вопросов Румфорд не поставил и, естественно, не дал на них ответа.

Но Румфорд сделал крупный шаг вперед, предположив, что теплота -- это некое свойство самого вещества, а не что-то добавляемое к нему.

Дэви (1778--1829) произвел в Лондоне опыт, условия которого были в большей степени подчинены воле экспериментатора. Он сложил вместе два куска льда, поместил их в сосуд, из которого был выкачан воздух, и привел их но взаимное трение при помощи часового механизма. Выделилось достаточное количество тепла, чтобы расплавить часть льда, и эта теплота не могла взяться из теплорода воздуха.

Так был сделан первый важнейший шаг: было установлено, что теплота есть форма кинетической энергии. Следующий необходимый шаг состоял в том, чтобы выяснить, существует ли какое-нибудь количественное соотношение между теплотой и механической энергией. Для проведения таких исследований требовалось, однако, значительно больше информации. Нужно было знать тепловые свойства материалов, в частности знать, насколько повышается температура различных материалов при подведении к ним тепла. Это свойство выражается так называемой удельной теплоемкостью -- количеством тепла, которое требуется, чтобы повысить температуру единицы массы на один градус.

Рис.3 Георг Рихман Рис.4 Дюлонг Пьер Луи

Исследования по калориметрии начались еще тогда, когда не было выяснено, что теплота имеет две меры: температуру и количество теплоты, еще не существовало понятие теплоемкости и т. д. Именно в процессе развития прежде всего калориметрических исследований и сформировались эти основные понятия теплофизики. Первые исследования по калориметрии, давшие существенные результаты, принадлежат петербургскому академику Георгу Рихману (1711 -- 1753). В 1744 г. Рихман установил формулу для температуры смеси. Он полагал как само собой разумеющееся, что если теплота, распределенная в какой-либо массе жидкости, затем распределяется в такой же жидкости, имеющей массу в k раз большую, то температура при этом уменьшается в k раз. Из этого предположения следует, что если имеется масса m жидкости, в которой распределена теплота температуры t, а затем эта же теплота распределяется в массе т' такой же жидкости, то температура последней равна:

V = mt/ т'.

В общем же случае температура смесей масс жидкостей m₁ и m₂ m₃ имеющих соответственно первоначальные температуры t₁ и t₂ t₃ определяется формулой :

Хотя Рихман уже интуитивно чувствует, что для тепловых явлений следует различать две величины -- температуру и количество теплоты, тем не менее он еще не разделяет их. Рихман использовал термин «теплота» и в смысле температуры, и в смысле количества теплоты, хотя употреблял и термин «температура».

Вопрос о распределении теплоты между неоднородными телами был более сложным. Опыты по определению температуры смеси двух разных жидкостей проводились еще до исследования Рихма на. Так, например, Бургаве измерял температуру смеси воды и ртути, имеющих первоначально разные температуры. Но как в общем случае распределяется теплота при тепловом контакте различных тел, было еше не ясно. Высказывались некоторые догадки, предполагалось, что теплота распределяется равномерно объему. Однако вскоре выяснилось, что этот вопрос решается так просто. Исследования привели к возникновению понятия удельной теплоемкости и выявили, что эта величина не имеет простой связи ни с каким свойством того или иного вещества. Были измерены удельные теплоемкости ряда веществ.

Первые измерения удельной теплоемкости произвел Блэк (1728--1799); его работа опередила эксперименты Румфорда и Дэви, но так как Блэк излагал свои идеи главным образом на лекциях, они были полностью опубликованы лишь после его смерти. Дэви был смелее Румфорда и высказал предположение, что теплота -- это «своеобразное, вероятно, колебательное движение мельчайших частиц тел». Его ответ был правильным. Насколько редко встречаются такие люди! Блэк со своим сотрудником Мартином налил равные объемы воды и ртути в одинаковые сосуды, поместил их на равных расстояниях от огня и наблюдал за скоростью повышения температуры воды и ртути. Блэк был в полной уверенности, что температура ртути будет повышаться медленнее, чем воды, так как масса ртути в 13,5 раза больше. Представьте себе его удивление, когда он увидел, что температура ртути повышалась вдвое быстрее. Блэк обнаружил, что ртуть имеет малую удельную теплоемкость -- примерно ¹/₂₇, или 0,037 удельной теплоемкости воды; как мы теперь знаем, это значение равно 0,033.

Важным было открытие теплоты плавления. Оно было сделано английским ученым Джозефом Блэком (1728--1799). Еще в 50-х годах он установил, что если взять определенную массу льда при температуре его плавления и такую же массу воды при температуре примерно 80°С, то в результате смешивания весь лед растает, а температура воды станет равной первоначальной температуре льда (т. е. 0°С). Отсюда он сделал вывод, что на процесс таяния льда затрачивается определенное количество теплоты, хотя температура его при этом не изменяется. Теплота поглощается водой, образовав шейся из льда. Эта теплота была названа Блэком «скрытой теплотой». Блэк также открыл существование «скрытой теплоты парообразования».

Проводились исследования распределения теплоты между телами из различных веществ при тепловом контакте. В результате воз никло понятие о теплоемкости и удельной теплоемкости. Были проведены измерения удельных теплоемкостей ряда твердых и жидких тел. При этом совершенствовалась техника калориметрических исследований, были сконструированы простейшие калориметры Постепенно выяснялся и вопрос о мерах теплоты и о различии понятий температуры и количества теплоты. Блэк уже в 1753 г. в своих лекциях специально подчеркивал:

«Когда мы говорим о распределении теплоты, всегда нужно различать количество теплоты и силу теплоты и не смешивать эти две величины»

Развитие калориметрических исследований было связано с представлением о сохранении количества теплоты при ее распределении между телами (это представление использовали и при исследовании теплопроводности). Постепенно физики и химики привыкали пользоваться уравнением теплового баланса, на основе которого производятся все калориметрические расчеты. Уравнение теплового баланса для простейшего случая использовал уже Рихман. В более общей форме им пользовался Блэк. Обсуждая опыт смешения одинаковых масс ртути и воды, Блэк писал:

«...когда нагретую ртуть смешивают с нагретой водой, то температура смеси падает до 120° вместо 125° (125° -- средняя температура; вода берется при температуре 100°, а ртуть при температуре 150° Фаренгейта). Ртуть, таким образом, охлаждается на 30°, а вода нагревается на 20°, однако количество теплоты, которое получила вода» равно количеству теплоты, которое потеряла ртуть».

Можно считать, что к 80-м годам XVIII в. сложились основные понятия учения о теплоте. В вышедшем в 1783 г. сочинении «Мемуар о теплоте» французских ученых Антуана Лавуазье (1743--1794) и Пьера Лапласа (1749--1827), подводящем как бы итог развития учения о теплоте, понятия температуры, количества теплоты, теплоемкости и т. д. считаются уже установленными.

Исследуются явления передачи теплоты, которые также играли важную роль в установлении основных понятий учения о теплоте. В работе 1701 г., посвященной вопросам теплоты, Ньютон установил закон охлаждения тел:

«Теплота, которую нагретое железо сообщает в заданное время смежным с ним холодным телам, т. е. теплота, которую железо утрачивает в продолжении заданного времени, пропорциональна всей теплоте железа; поэтому, если времена охлаждения принимать равными, то теплоты будут в геометрической прогрессии» .

3. Опыты Дюлонга и Пти

К 1819 г. двое французов, Пти (1791--1820) и Дюлонг (1785--1838), собрали достаточно данных, чтобы сделать общий вывод: удельные теплоемкости химических элементов -- не случайные величины, а связаны простым образом с атомными весами элементов.

Некоторые ученые смотрели свысока на процесс сбора эмпирических данных, который Резерфорд позднее назвал «коллекционированием марок». Эта работа в сущности подходит для тех, кто не обладает творческим умом, но может научиться методам исследования и имеет достаточное терпение, чтобы тщательно выполнять эксперименты. Может быть, это, так сказать, научная деятельность «второго порядка», но она тем не менее играет огромную роль в развитии науки. Сказанное относится и к работе Пти и Дюлонга, которые поставили перед собой задачу измерить удельные теплоемкости как можно большего числа твердых химических элементов.

Метод Пти и Дюлонга был основан на измерении скорости охлаждения веществ. Если некоторые количества вещества поместить в одинаковые сосуды и нагреть, то скорость последующей потери ими тепла должна зависеть только от превышения температуры нагретого вещества над температурой окружающей среды. Поэтому, сравнивая скорости изменения температуры различных веществ, можно сопоставлять их удельные теплоемкости. Следует отметить, что в этом методе можно не принимать во внимание закон охлаждения Ньютона -- одно из полученных им не очень известных соотношений,-- пока сопоставляются скорости охлаждения двух тел от одной и той же температуры.

Результаты экспериментов Пти и Дюлонга обнаружили такую закономерность: чем тяжелее элемент, тем меньше его удельная теплоемкость. В настоящее время понятие атома прочно заняло свое место в системе наших знаний и разработаны методы измерения атомных весов, гораздо более точные, чем те, которыми пользовался Дальтон. Поскольку плотность возрастает в той или иной степени вместе с атомным номером, Дюлонг и Пти попробовали помножить удельную теплоемкость на атомный вес и обнаружили замечательное постоянство их произведения, как показывает приводимая ниже табл. 2. Атомные веса в ней взяты по отношению к атомному весу кислорода, принятому за единицу. Если считать атомный вес кислорода равным 16, как принято в настоящее время, то произведение, о котором идет речь, примет известное значение 6,0, называемое «атомной теплоемкостью».

Таблица 1

Атомные веса элементов, взятые по отношению к атомному весу кислорода, который принят за единицу

Химический элемент	Удельная теплоемкость	Относительный атомный вес	Произведение
Висмут	0,0288	13,30	0,3830
Свинец	0,0293	12,95	0,3794
Золото	0,0298	12,43	0,3704
Платина	0,0314	11,16	0,3740
Олово	0,0514	7,35	0,3779
Серебро	0.0557	6,75	0,3759
Цинк	0^0927	4,03	0,3736
Теллур	0,0912	4,03	0,3675
Медь	0,0949	3.957	0 . 3755
Никель	0,1035	3.69	О; 381 9
Железо	0.1100	3.392	0,3731
Кобальт	0,1498	2,46	0.3685
Сера	0,1880	2,011	0,3780

Прежде чем рассматривать значение этого результата, проанализируем цифры, приведенные в таблице. 1. Удельные теплоемкости большинства химических элементов, кроме теллура и кобальта, находятся в приемлемом согласии с современными значениями. Большинство атомных весов также правильны, опять-таки кроме теллура и кобальта. В чем же дело? Мы можем лишь предположить, что Пти и Дюлонг работали не с теми материалами, как они думали. Они занимались своими исследованиями в то время, когда атомная теория находилась еще в «младенческом возрасте» -- ей было 20 лет -- и тогда было много неясностей относительно того, какие вещества являлись химическими элементами. Теллур был открыт в 1782 г., а селен, находящийся в близком химическом сродстве с ним,-- в 1817 г., всего за два года до эксперимента Пти и Дюлонга. Возможно, они работали с селеном, а не с теллуром: согласие результатов при этом значительно лучшее. С кобальтом дело обстоит сложнее. Атомный вес этого элемента около 40; трудно представить себе, какой химический элемент -- металл с близким атомным весом -- можно спутать с кобальтом. Поэтому кобальт остается загадкой.

Пти и Дюлонг считали, что при более точных измерениях произведение атомного веса на удельную теплоемкость -- атомная теплоемкость -- должно быть в точности постоянным. Они были бы разочарованы, если бы взяли для своих исследований такие элементы (как, например, углерод), у которых атомная теплоемкость значительно меньше. Это расхождение получило объяснение. Дело в том, что принцип Больцмана справедлив, если только энергия непрерывна. Как бы ни были малы количества энергии, этот принцип требует, чтобы энергия могла делиться между несколькими степенями свободы.

Закономерность, которую нашли Пти и Дюлонг проверялась более точными современными калориметрическими методами; ей подчиняется большинство химических элементов (закон, согласно которому теплоемкость С_V всех твердых тел при достаточно высокой температуре есть величина постоянная, не зависящая от температуры и составляющая около 3R25 Дж/( моль К) - значение Дюлога-Пти, т.е. при нагревании любого вещества на 1К каждый атом поглощает одинаковое количество энергии 3k_B . В классической модели твердого тела это объясняется как сумма кинетической энергии, по k_BТ/2 на каждую степень свободы (равнораспределение), и потенциальной энергии, равной кинетической. Т.е. энергия 1 моля вещества - U = 3N_ak_BT, а его теплоемкость - С_V = (U/T)_V = 3N_ak_B = 3R, в полном соответствии с законом Дюлонга - Пти). Пти и Дюлонг вывели также общую формулу скорости охлаждения тел и изобрели катетометр.

4. Исследования Фурье

Дальнейшие исследования передачи теплоты показали, что этот процесс осуществляется различными способами, имеющими разную физическую природу. Возникли два самостоятельных направления: изучение теплопроводности и теплового излучения, В изучении теплового излучения в XVIII в. были сделаны только самые первые шаги, что же касается вопроса теплопроводности, то во второй половине XVIII в. начали проводить теоретические и экспериментальные исследования этого явления, а в начале XIX в. была создана теория теплопроводности французским ученым Жаном Батистом Фурье (1768--1830). Итогом его исследований явилась монография «Аналитическая теория теплоты», вышедшая в свет в 1822 г.

Первая попытка теоретического анализа явлений теплопроводности была основана на прямом применении закона охлаждения Ньютона. Однако при этом возникли трудности. Закон охлаждения, если можно так сказать, интегральный закон, а для теории теплопроводности было необходимо установить соответствующий дифференциальный закон. Если рассматривать поток тепла вдоль стержня, то для того, чтобы составить соответствующее дифференциальное уравнение, нужно рассматривать бесконечно близкие слои в этом стержне. Но разность температур между такими слоями также бесконечно мала и непосредственное применение закона охлаждение Ньютона приводит к выводу, что и поток теплоты от слоя к слою также должен быть бесконечно малой величиной. Таким образом, приходим к нелепому результату, равноценному утверждению, что тело не может ни нагреваться, ни охлаждаться за конечный промежуток времени. Фурье разрешил эту трудность, установив, что поток тепла пропорционален не просто разности температур, а разности отнесенной к единице длины, т. е., говоря современным языком, градиенту температуры. Он установил основной закон теплопроводности. По Фурье, количество теплоты Q, проходящей через площадь S за время ф вдоль направления х:

Где dT/dx изменение температуры на единицу длины (градиент температуры); k -- коэффициент теплопроводности, зависящий от свойств теплопередающей среды. Этот коэффициент Фурье определяет как «количество теплоты, которое протекает в однородном твердом теле, ограниченном двумя бесконечными параллельными плоскостями, в течение одной минуты через площадку в один квадратный метр, параллельную пограничным плоскостям (находящимся на расстоянии, равном единице), когда эти плоскости поддерживаются при температурах: одна при температуре кипения: воды, другая -- тающего льда».

Чтобы получить общее уравнение теплопроводности, Фурье при меняет найденный закон к бесконечно малым элементам в тепло-проводящей среде, устанавливая при этом связь между изменением содержания теплоты в ней и изменением температуры. Фурье, решая задачи по теплопроводности, разработал метод разложения функций в тригонометрические ряды, получившие название рядов Фурье. Он полагал, что довел теорию теплоты до того состояния, до которого развил механику Лагранж, поэтому по аналогии с «Аналитической механикой» Лагранжа Фурье назвал свою книгу «Аналитической теорией теплоты». Что же касается взглядов на природу теплоты, то Фурье признавал теорию теплорода.

5. Работы Сади Карно

Эту же теорию разделял и другой замечательный ученый, военный инженер Сади Карно (1796-1832). Сади Никола Леонард Карно был старшим сыном знаменитого «организатора победы» французской революции Лазаря Карно. Сади родился 1 июня 1796 г. В 1812 г. он поступил в Политехническую школу и окончил ее военным инженером в 1814 г. Наполеон к этому времени был разгромлен и сослан на остров Святой Елены. Отец Сади был осужден, и военная карьера самого Карно была сомнительной. Спустя три года после окончания школы он сдал экзамен и с чином поручика перешел в главный штаб, занимаясь в основном наукой, музыкой и спортом. В 1824 г. был издан его главный труд «Размышления о движущей силе огня». Через четыре года Карно вышел в отставку в чине капитана. Умер он 24 августа 1832 г. от холеры. «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» начинаются с характеристик огромной движущей силы тепла. «Развивать эту силу и приспособлять ее для наших нужд--такова цель тепловых машин», -- пишет Карно. Он характеризует быстрое развитие тепловых машин и предсказывает им большое будущее: «Если когда-нибудь, --говорит Карно,-- улучшения тепловой машины пойдут настолько далеко, что сделают дешевой ее установку и использование, то она соединит в себе все желательные качества и будет играть в промышленности роль, всю величину которой трудно предвидеть, ибо она не только заменит имеющиеся теперь в употреблении двигатели удобным и мощным двигателем, который можно повсюду перенести и поставить, но и даст тем производствам, к которым будет применена, быстрое развитие и может даже создать новые производства». Предвидение Карно блестяще оправдалось. Двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины получили широкое развитие, создали новые производства: авиационное и автомобильное. Новые двигатели второй половины XX в -- ракеты--создали сверхскоростной воздушный транспорт и вывели человечество в космос. «Движущая сила тепла» в наши дни играет огромную роль. Но во времена Карно она только начинала свой путь как малоэкономичная паровая машина. Хотя со времен Севери и Ныокомена прошло более столетия и паровая машина прочно утвердилась в промышленности, сущность ее работы оставалась неясной, явление получения движения из тепла не было рассмотрено с достаточно общей точки зрения», как отмечал Карно.

Карно видит ненормальность случайных эмпирических усовершенствований паровых машин, он хочет дать теоретические основы теплотехники. В этом огромное историческое значение работы Карно, выходящее далеко за рамки специального исследования. Характерно, что он в своем труде не ограничивается существующими паровыми машинами, а говорит о тепловом двигателе вообще. «Чтобы рассмотреть принцип получения движения из тепла во всей его полноте,--пишет Карно,--надо его изучить независимо от какого-либо определенного агента; надо провести рассуждения, приложимые не только к паровым машинам, но и ко всем мыслимым тепловым машинам, каково бы ни было вещество, пущенное в дело и каким бы образом ни производилось воздействие»

Так, отправляясь от конкретной задачи, подсказанной практикой, Карно формулирует абстрактный, общий метод ее решения -- термодинамический метод.

Сочинение Карно явилось началом термодинамики. Карно ввел в термодинамику метод циклов. Цикл Карно описывается сегодня во всех учебниках физики. В них он сопровождается диаграммой процесса и расчетами для идеального газа, которых нет у Карно. Диаграмма и расчеты были даны в 1834 г. Клапейроном, который повторил работу Карно.

Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (1799-- 1864), французский академик и инженер, был в 1820-1830 гг. профессором Петербургского института инженеров путей сообщения. В 1854 г. он дал общеупотребительную форму трактовки цикла Карно и объединенное уравнение газового состояния. Ему же принадлежит вывод зависимости точки плавления от давления (уравнение Клапейрона--Клаузиуса).

Карно в своем исследовании придерживается еще теории теплорода. Он рассматривает работу тепловой машины как результат перепада теплорода с высшего уровня на низшие. «Возникновение движущей силы,-- пишет Карно,--обязано в паровых машинах не действительной трате

теплорода, а его переходу от горячего тела к холодному...»

Общий вывод Карно формулирует следующим образом: «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми в конечном счете происходит перенос теплорода». В наше время этот вывод Карно формулируется иначе: коэффициент |полезного действия идеальной тепловой машины не зависит от рабочего вещества, а зависит лишь от температуры нагревателя и холодильника.

Вывод этот вошел в термодинамику в качестве фундаментального принципа, а сама работа Карно, изложенная Клапейроном и напечатанная в 1843 г. на немецком языке в «Анналах» Поггендорфа, послужила исходным пунктом для исследований В.Томсона и Р. Клаузиуса, приведших к открытию второго начала термодинамики.

Хотя Карно в своей работе опирался на неверную теорию теплорода, его глубокий ум скоро почувствовал недостатки этой теории. Карно сделал следующее примечание к своей работе: «Основные положения, на которые опирается теория тепла, требуют внимательного исследования. Некоторые данные опыта представляются необъяснимыми при современном состоянии теории». В своем дневнике, выдержки из которого были опубликованы его братом после смерти Карно, он пишет: «Тепло не что иное, как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел; повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила.

Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает».

Если заменить слова «движущая сила» словом «энергия», то мы получим законченную формулировку закона сохранения энергии. В последней формуле Карно дает значение механического эквивалента теплоты. Оно равно 370 кгс-м на 1 ккал, т. е. имеет правильный порядок величины.

6. Исследования расширения тел при нагревании

В XVIII в. начинаются систематические исследования расширения тел при нагревании. Помимо чисто научного интереса явление расширения тел при нагревании имело практическое значение. Изучение расширения тел было необходимо для совершенствования термометра, основанного на явлении расширения жидкостей. Усовершенствование термометров, а также других приборов требовало исследования процесса расширения твердых тел. Так, например, уже в XVIII в. для конструкторов точных часов, необходимых в мореплавании, учет расширения твердых тел в результате нагревания стал технической необходимостью. Известно, что английский конструктор Гаррисон, получивший премию от парламента за свои хронометры, добился хороших результатов после того, как учел законы теплового расширения металлов, из которых изготовлялись детали часов. Первые хорошие количественные результаты по измерению теплового расширения твердых тел получили Лавуазье и Лаплас начале 80-х годов. Они указывали на важность измерения коэффициентов теплового расширения тел:

«Это свойство, присущее телам, занимать различный объем в зависимости от температуры, до которой они доверены, является препятствием, с которым приходится встречаться на каждом шагу в физике и в инженерной практике каждый раз, по крайней мере, когда хотят достигнуть высокой степени точности».

Особое значение для развития теории теплоты имели исследования теплового расширения и вообще тепловых свойств газов. Первый газовый закон был установлен англичанином Бойлем и французом Мариоттом во второй половине XVII в., называющийся с тех пор законом Бойля -- Мариотта.

Интересно исследование свойств газов, проведенное французом Амонтоном, которое было опубликовано в 1703 г. Амонтон занимался конструированием термометра еще до появления термометра Фаренгейта. Ему пришла мысль использовать для измерения температуры изменение упругости воздуха при нагревании. Он сконструировал воздушный термометр, который состоял из U-образной стеклянной трубки, короткий конец которой заканчивался большим стеклянным шаром. Трубка и часть шара заполнялись ртутью. При нагревании шара давление воздуха в нем изменялось, и ртуть в трубке поднималась. Помещая шар в тающий лед, а затем в кипящую воду, Амонтон установил, что давление при этом возрастает примерно в три раза. После работ Амонтона вскоре были изобретены практически удобные термометры Фаренгейта, Реомюра и Цельсия. Вопрос о газовом термометре потерял свою значимость. Однако вскоре было замечено, что показания термометров, наполненных ртутью и спиртом, не полностью совпадают. Значит, за основной следовало принять термометр с определенной жидкостью, считая, что ее расширение строго пропорционально повышению температуры. За такую жидкость Рис. 5 была принята ртуть, и ртутный термометр стали рассматривать как эталонный. Постепенно, однако, выясняется, что, вообще говоря, тела расширяются не совсем равномерно с ростом температуры. В начале XIX в. английский химик Дэви показал, что термометры, в которых используются различные жидкости, показывают разную температуру в промежутке от 0 до 100°С.

В конце XVIII в. были открыты кислород, азот, а затем и другие газы и выяснено, что существует множество газообразных веществ различной природы. При установлении физических и химических свойств открытых газов исследовали и их тепловое расширение. Исследованиями теплового расширения газа занимались французский физик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778--1850) и английский химик Джон Дальтон (1766--1844). В 1802 г. независимо друг от друга они открыли закон, согласно которому все газы расширяются при нагревании одинаково и имеют один и тот же постоянный коэффи-циент расширения, равный--.0,00375 град ^-1. Естественно поэтому было предположить, что за эталон следует взять газовый термометр и считать, что газы расширяются пропорционально увеличению тем-пературы. Однако в дальнейшем было выяснено, что этот закон справедлив только для очень разреженных и сильно нагретых газов (так называемых идеальных газов) и соответственно эталонным считать термометр с идеальным газом. Только развитие термодинамики позволило установить шкалу температур, не зависящую от избранного тела -- абсолютную термодинамическую шкалу.

В 1842 г. Майер, исходя из теоретических соображений, высказал предположение, что должно существовать прямое количественное соотношение между теплотой и механической энергией. В эксперименте этот факт, не оставив в нем больше никаких сомнений, установил Джоуль (1818-- 1889); он опубликовал свою первую работу на эту тему и 1843 г.

7. Вклад Джоуля в развитие представлений о теплоте

Интерес к этой теме впервые возник у Джоуля из знакомства с электрическими машинами, которые только что были изобретены. Джоуль был человеком весьма практического склада ума, и его увлекала идея создать вечный источник энергии. Он изготовил вольтову батарею, запустил от нее примитивный электрический двигатель собственной конструкции и увидел, что получить нечто из ничего не удается: цинк в батарее съедался и замена его обходилась довольно дорого.

(Позже Джоуль доказал, к своему собственному удовольствию, что прокормить лошадь всегда дешевле, чем менять цинк в батареях, так что лошадь никогда не будет вытеснена электродвигателем.) Это побудило Джоуля исследовать связь между теплотой и энергией всех видов, и он решил выяснить, существует ли точное количественное соотношение между теплотой и механической энергией. Джоуль посвятил этой идее большую часть своей жизни. Он также задался целью измерить возможно точнее коэффициент пропорциональности в этом соотношении (механический эквивалент теплоты). Он сумел приближенно оценить значение этой величины из опытов Румфорда, который зафиксировал, насколько повысилась температура известной массы вещества, когда с помощью лошадиной упряжки сверлили металл пушечного ствола тупым сверлом. Поскольку Румфорд не учитывал потери тепла, результат, очевидно, должен был быть завышен, но это не имело значения. Эффект сам по себе весьма велик, поэтому о тонких измерениях речь не идет, но очень важно точно измерять температуру и исключить систематические ошибки. Наиболее известный опыт Джоуля заключается в перемешивании воды стержнем с лопатками, который приводится во вращение.

Схема опыта показана на Рис. 6. Цилиндр насажен на деревянный стержень (чтобы предотвратить потери тепла путем теплопроводности), на котором укреплено несколько лопаток. Он приводится во вращение парой сил, создаваемой двумя гирями. Лопатки перемешивают воду в калориметре, в который вставлены перегородки, имеющие вырез, соответствующий форме лопаток, так что лопатки вращаются в нем с небольшим зазором. Гири опускаются, проходя определенное расстояние, и можно вычислить теряемую ими потенциальную энергию. Необходимо также учитывать кинетическую энергию гирь в нижней точке их опускания. В опыте регистрируется повышение температуры воды в калориметре и вводится поправка на охлаждение ее в течение опыта.

Поскольку повышение температуры воды было невелико, Джоуль сделал так, чтобы можно было отсоединять цилиндр, поднимать гири и снова опускать их. После 10-20 опусканий гирь за период около 1 ч температура воды повышалась всего примерно на 0,5°С, но Джоуль пользовался достаточно хорошим термометром и получил результат, который совпадает со значением, принятым в настоящее время, 4,18-10⁷ эрг/кал с точностью до 0,5%. Другие методы Джоуля давали согласующиеся между собой результаты; он достиг своей цели, доведя работу действительно до конца. Единица энергии -- Джоуль -- справедливо названа в его честь.

Открытие закона сохранения энергии воскресило представление о теплоте как о форме движения. Это представление, высказанное в 1620 г. в смутной форме ф. Бэконом, развитое в 1743--1745 гг. М.В.Ломоносовым, было вновь высказано одним из основателей закона сохранения и превращения энергии -- Джемсом Джоулем в докладе «Некоторые замечания о теплоте и о строении упругих жидкоcтей», сделанном на заседании Манчестерского литературного и философского общества 3 октября 1848 г. Доклад был опубликован только через три года в трудах общества и затем через шесть лет в «Philosophical Magazine». Джоуль начинает с указания на свои опыты, результаты которых были доложены на съезде Британской Ассоциации в 1842 г. Эти опыты показали, «что магнитоэлектрическая машина дает нам возможность обратить механическую силу в теплоту». Вместе с тем они привели к выводу о взаимной обратимости теплоты и механической силы и, следовательно, к выводу, «что теплота является либо vis viva (живой силой) весомых частиц, либо некоторым состоянием притяжения и отталкивания способным порождать vis viva (живую силу)». Так Джоуль со всей ясностью показывает, что закон сохранения энергии находит свое выражение в превращении работы в теплоту в строго определенном количественном отношении. Ученый приходит к выводу, что теплота является формой кинетической энергии (живой силы) или потенциальной («некоторым состоянием притяжения и отталкивания») весомых частиц. Упоминая о своих опытах 1844 г. по изменению температуры воздуха путем адиабатического сжатия или расшире ния, он заключает, что упругость газов «должна представлять собой эффект движения частиц, из которых состоит всякий газ». Приводя высказывание Дэви о теплоте как о колебательном движении частиц вещества, Джоуль указывает, что он лично «попытался показать, что вращательное движение, аналогичное описанному сэром Дэви, способно объяснить закон Бойля и Мариотта, а также другие явления, представляемые упругими жидкостями». Джоуль не знает, что Ломоносов объяснил закон Бойля с помощью гипотезы о вращательном движении «нечувствительных частичек». Однако он считает более простой гипотезу, высказанную в 1821 г. Герапатом, в которой частицы газа принимаются движущимися поступательно во всех направлениях, и исходит из этого представления, подчеркивая вместе с тем, что «гипотеза вращательного движения в равной мере хорошо согласуется с этими явлениями».

Джоуль приводит подсчет скорости движения частиц водорода, находящегося при определенной температуре и давлении Он оперирует конкретными цифрами массы, температуры, давления водорода и, считая, что частицы движутся в сосуде кубической формы в равном количестве по трем направлениям, показывает, что «давление будет пропорционально квадрату скорости частиц» Джоуль определяет численное значение этой скорости.

Вывод Джоуля совершенно конкретен газ -- водород, масса газа 36,927 грана, давление 30 дюймов ртутного столба, температура 60° Фаренгейта. Скорость частиц водорода оказалась равной 6225 футам в секунду, при температуре замерзания воды (32° Фаренгейта) она будет 6055 футов в секунду Джоуль указывает, что при этих подсчетах частицы водорода считаются не имеющими заметного размера, иначе скорость получалась бы при том же давлении меньшей. Он указывает далее, что «абсолютная температура, давление и vis viva пропорциональны друг другу», а теплоемкость газа «выражается общей суммой vis viva при данной температуре» Таким образом, на основе конкретного числового подсчета Джоуль выводит основной закон идеального газа.

8. Работы Клаузиуса и Томсона. Второе начало термодинамики

Ведущую роль в основании теории тепловых явлений сыграли Р. Клаузиус, В. Томсон и другие ученые.

Статьи Клаузиуса по механической теории теплоты были изданы в 1867 г. В 1879-1891 гг. вышло второе, переработанное и дополненное, издание этой книги под заглавием «Die mechanische Warmetheorie» в трех томах. Второй том книги был посвящен механической теории электричества, третий -- кинетической теории газов.

Первая статья Клаузиуса «О движущей силе теплоты» появилась в 1850 г. В ней он разбирает работу Карно (вслед за В. Томсоном) и, отказываясь от его концепции неуничтожаемости теплоты, считает, что надо сохранить основную часть его положения в виде нового принципа -- второго начала, который Клаузиус формулирует следующим образом: «Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому». Клаузиус неоднократно в своих статьях разъяснял смысл выражения «сама собой». «Появляющиеся слова «сама собой», -- писал он в «Статьях по механической теории тепла»,-- требуют, чтобы быть вполне понятными, еще объяснения, которое дано мною в различных местах моих работ». Теплота в ряде процессов может перейти от холодного тела к теплому, но «тогда одновременно с этим переходом от более холодного к более теплому телу должен иметь место и противоположный переход теплоты от более теплого к более холодному, либо должно произойти какое-либо другое изменение, обладающее той особенностью, что оно не может быть обращено без того, чтобы не вызвать с своей стороны, посредственно или непосредственно, такой противоположный переход теплоты ». Клаузиус указывает, что такой противоположный процесс должен рассматриваться «как компенсация перехода теплоты от более холодного тела к более теплому», и дает новую формулировку принципа: «Переход теплоты от более холодного тела к более теплому не может иметь место без компенсации».

«Это предположение, выставленное мною в качестве принципа, -- пишет Клаузиус в своем обобщающем труде, -- встретило много возражений, и мне пришлось его неоднократно защищать». В борьбе за утверждение нового принципа большую роль сыграл английский физик Вильям Томсон.

Томсону наряду с Клаузиусом принадлежит заслуга в обосновании второго закона термодинамики. В 1848 г. он сомневался в справедливости закона сохранения энергии, так как в тепловых машинах теплота не полностью переходит в работу (это было показано еще Карно). Работа Карно подсказала Томсону важную мысль о введении температурной шкалы, не зависящей от выбора термометрического тела, -- абсолютной шкалы температур. Эта «шкала Кельвина» основана на процессе Карно, который, как известно, носит абсолютный характер, не зависящий от выбора рабочего вещества и характера процессов, применяемых в цикле. Введение «шкалы Кельвина» представляет первый существенный вклад Томсона в термодинамику (1848).

17 марта, 21 апреля и 15 декабря 1851 г. Томсон сделал в Эдинбургском Королевском обществе доклады, опубликованные в «Трудах» общества за 1851 г. и в «Philosophical Magazine» за 1852 г. под заглавием «О динамической теории теплоты». Эта работа представляет собой изложение новой точки зрения на теплоту, согласно которой «теплота представляет собой не вещество, а динамическую форму механического эффекта». Поэтому «должна существовать некоторая эквивалентность между механической работой и теплотой». Томсон указывает, что этот принцип, «по-видимому, впервые... был открыто провозглашен в работе Майера «Замечания о силах неживой природы». Далее он упоминает работу Джоуля, исследовавшего численное соотношение, «связывающее теплоту и механическую силу». Томсон утверждает, что вся теория движущей силы теплоты основана на двух положениях, из которых первое восходит к Джоулю и формулируется следующим образом: «Во всех случаях, когда равные количества механической работы получаются каким бы то ни было способом исключительно за счет теплоты или бывают израсходованы исключительно на получение тепловых действий, всегда теряются или приобретаются равные количества теплоты».

Второе положение Томсон формулирует так: «Если какая-либо машина устроена таким образом, что при работе ее в противоположном направлении все механические и физические процессы в любой части ее движения превращаются в противоположные, то она производит ровно столько механической работы, сколько могла бы произвести за счет заданного количества тепла любая термодинамическая машина с теми же самыми температурными источниками тепла и холодильника».

Эта положение Томсон возводит к Карно и Клаузиусу и обосновывает следующей аксиомой: «Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическую работу путем охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов».

К этой формулировке, которую называют томсоновской формулировкой второго начала, Томсон делает следующее примечание: «Если бы мы не признали эту аксиому действительной при всех температурах, нам пришлось бы допустить, что можно ввести в действие автоматическую машину и получать путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания всей теплоты суши и моря или в конце концов всего материального мира». Описанную в этом примечании «автоматическую машину» стали называть perpetuum mobile 2-го рода и формулировку Томсона кратко выражать как принцип невозможности perpetuum mobile 2-го рода. В 1852 г., развивая положения статьи 1851 г., Томсон приходит к следующим выводам: «1. В материальном мире существует в настоящее время общая тенденция к расточению механической энергии. 2. Восстановление механической энергии в ее прежнем количестве без рассеяния ее в более чем эквивалентном количестве не может быть осуществлено при помощи каких бы то ни было процессов с неодушевленными предметами и, вероятно, также никогда не осуществляется при помощи организованной материи, как наделенной растительной жизнью, так и подчиненной воле одушевленного существа. 3. В прошлом, отстоящем на конечный промежуток времени от настоящего момента, Земля находилась и спустя конечный промежуток времени снова очутится в состоянии, непригодном для обитания человека; если только в прошлом не были проведены и в будущем не будут предприняты такие меры, которые являются неосуществимыми при наличии законов, ныне регулирующих известные процессы, протекающие ныне в материальном мире». В этой небольшой заметке, носящей название «О проявляющейся в природе общей тенденции к рассеянию механической энергии», Томсон формулирует знаменитую концепцию «тепловой смерти».

9.Дальнейшее развитие теплофизики и атомистики

21 сентября 1859 г. на собрании Британской Ассоциации содействия прогрессу наук Джемс Клерк Максвелл сделал доклад «Пояснения к динамической теории газов». Максвелл отмечает, что из молекулярной гипотезы «может быть выведено так много свойств материи, в особенности если ее взять в газообразной форме, что истинная природа этого движения является предметом естественного интереса». Здесь же он приводит вывод распределения молекул по скоростям. «Скорости распределяются между частицами по тому же закону, по которому распределяются ошибки между наблюдениями в теории «метода наименьших квадратов». Скорости лежат в пределах от 0 до ?, однако число молекул, имеющих большие скорости, сравнительно невелико. Далее Максвелл показывает, что если в одном и том же сосуде движутся две системы частиц, то «средняя живая сила каждой частицы одинакова в обеих системах». Позднее Максвелл в своей речи «Молекулы» говорил по поводу этого предложения: «Динамическая теория говорит нам также и о том, что происходит, когда молекулы различных масс сталкиваются друг с другом. Большие массы будут двигаться медленнее меньших, так что в среднем каждая молекула, большая или малая, будет иметь ту же энергию движения. Доказательство этой динамической теоремы -- и в этом я заявляю свои права на приоритет -- в последнее время получило широкое развитие и усовершенствование благодаря трудам д-ра Людвига Больцмана. Самое важное следствие, из нее вытекающее, состоит в том, что кубический сантиметр любого газа при постоянных температуре и давлении содержит одинаковое число молекул». Так закон Авогадро получил свое истолкование в кинетической теории газов наряду с другими законами идеальных газов.