• Главная
• Юридпсихология
• Этика эстетика
• Электротехника
• Эктеория
• Физика
• Управление персоналом
• Уголовный процесс
• Уголовное право
• Схемотехника
• Стратегический менеджмент
• САПР
• Ресторанно-гостиничный бизнес бытовое обслуживан
• Реклама и PR
• Режущий инструмент
• Неопределено
• Метрология
• Матметоды в эк-ке
• Исторические личности
• Искусство и культура
• Информатика
• Иностранные языки
• Гражданское процессуальное право
• Гражданское право
• Государственное регулирование и налогообложение
• Сонник
• Карта сайта

Развитие представлений о природе теплоты
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 СV 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 3kB . В классической модели твердого тела это объясняется как сумма кинетической энергии, по kBТ/2 на каждую степень свободы (равнораспределение), и потенциальной энергии, равной кинетической. Т.е. энергия 1 моля вещества - U = 3NakBT, а его теплоемкость - СV = (U/T)V = 3NakB = 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  τ 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.

Страницы: 1, 2, 3, 4