Термодинамиканың пайда болуы және дамуы. Карно.

Егер ХVII ғасырда физикада (механиканы есептемегенде) эксперимент басым болса, ал ХІХ ғасырда жағдай өзгере бастады.

Ампер электрдинамикасы аналог математикалық теорияны электрмагнетизм үшін де жасауға болатындығын мүмкіндік берді. Бірақ Фарадейдің ұлы ашылулары жағдайды түбегейлі өзгертті. Түпкілікті заңды іздестіру тоқтамағанымен, электрдинамикада Макксвелге дейін идеялық әрекет үстемдік етті.

Бәрінен бұрын, жылулық құбылыстарды теориялық өңдеу аса қиынға соқты. Мұнда эмпирикалық фактілердің жинақталуы орын алып, жылулық сипаттакмаларды: кеңею, жылуөткізгіштік, меншікті жылусыйымдылық коэффциенттерін анықтау әдістері жасалды. Бұл өзгерістер бір жағынан қрақынды дамыған жылутехникасы үшін де қажет болды. «Әмірші бу» фабрикалар мен зауыттарда, темір жолдарда, теңіз және өзен жолдарында жұмыс жасады. Бу машинасы қарқынды түрдн дамыған капиталисттік индустрияеың негізгі және жалғыз қозғалтқышы болды.

Эмпиризмнің жалпы жағдайында теориялық сипаттағы тек екі зерттеу ғана бөлініп алынды. Алғашқы зерттеу математикалық сипатқа ие болып, ол математикалық физика дамуына үлкен ықпалын тигізді. Оны француз математигі Жан Батист Жозеф Фурье жасады. Оның «Жылудың аналитикалық теориясы» атты жұмысы өзі 1807 жылдан бастап айналысқан жылуөткізгіштіктің математикалық теориясын қамтыды. Ол жылуөткізгіштіктің дифференциалдық теңдеуін енгізіп, кейбір жекелеген жағдайлар үшін оны интегралдау әдістерін жасады. Фурье өзінің математикалық теориясында функциялардың тригонометриялық қатарларға (Фурье қатарына) ыдырауын қолданды. Математикада осы жайында туындаған пікірталас жемісті болды. Математикалық физикаға Фурье қатарлары мен интегралы берік енді.

Фурье жылуды кейбір сұйықтық (жылутегі) ретінде қарастырды. Бұл теорияны тағы бір тамаша ғалым, әскери инженер Сади Карно бөлісті. Сади Никола Леонард Карно француз ревалюциясының «жеңісін ұйымдастырушы» атақты Лазарь Карноның үлкен ұлы болатын. Сади 1796 жылы 1 шілдеде туылды. Ол 1812 жылы Политехникалық мектепке оқуға түсіп, оны 1814 жылы әскери инженер болып аяқтады. Осы уақытта Наполеон жеңіліске ұшырап, Әулие Елена аралына жер аударылған болатын. Садидың әкесі сотталып, ал Карноның әскери карьерасы күмәнді еді. Мектепті аяқтағаннан соң үш жылдан кейін ол емтихан тапсырып, поруит шенімен әскери штабқа өтті де, онда ғылыммен, әуен және спортпен айналысты. 1824 жылы оның «оттың қозғаушы күші туралы пайымдаулар» атты негізгі еңбегі жарық көрді. Төрт жылдан кейін Карно капитан шенімен демалысқа шықты. Ол 1834 жылы 24 тамызда тырысқақтан көз жұмды.

Карно шығармасы термодинамика бастауы болды. Ол, нақты есептерді шеше отырып, осы есептерді шешудің жалпы термодинамикалық әдісін ұсынды. Карно термодинамикаға циклдер әдісін енгізді. Карно циклі бұл күндері барлық физика оқулықтарында мазмұндалған. Оларда ол Карнода болмаған идеал газға арналған процесс диаграммасымен және есептеулерімен сипатталады. Диаграмма мен есептеулерді 1834 жылы Клапейрон берген болатын.

Бенуа Поль Эмиль Клапейрон, француз академигі және инженері, Петербург инженерлер және қатынас жолдары институтының профессоры (1820-1830 жж.) болды. Ол 1834 жылы Карно циклі трактовкасының жалпы қолданыстық формасын және газ күйінің біріккен теңдеуін берді. Оған қысымға балқу нүктелерінің тәуелділігін тұжырымдау (Клапейрон-Клаузиус теңдеуі) тиесілі.

Қазіргі кезде Карно тұжырымдамасы келесідей айтылады: Идеал жылу машинасының пайдалы әсер коэффициенті жұмысшы затқа емес, тек қыздырғыш пен салқындатқыш температурасына ғана тәуелді. Бұл тұжырым іргелі қағида ретінде термодинамикаға енді. Карноның бұл жұмысын Клайперон мазмұндап, 1843 жылы Поггендорф «Анналахында» неміс тілінде жариялады. Ол термодинамиканың екінші бастамасының ашылуына алып келген В. Томсон мен Р. Клаузиус зерттеулері үшін бастапқы пункт болды.

Энергияның сақталу және айналу заңы. Энергияның сақталу және айналу заңын ашушылар оны анықтауға түрлі жолдармен барды. Майер, медициналық бақылаудан бастай отырып, оны ауқымды заң ретінде қарастырып, ғарыштан тірі ағзаға дейінгі энергетикалық айналулар тізбегін ашты. Джоуль жылу мен механикалық жұмыстың сандық қатынасын қажырлы түрде түрде өлшеді. Гельмгольц заңды XVIII ғасырдың ұлы механиктерінің зерттеулерімен байланыстырды. Идя түрлі жолдармен заңды бекіту мен танытуға ұмтылды. Күрес жеңіл болмағанымен, ол толыққанды жеңіспен аяқталды. Ғылымға энергияның сақталу және айналуының ұлы заңы енді.

Лабораторияларды жасау.

ХІХ ғасырдың екінші жартысы физиктерді дайындауды ұйымдастырудағы маңызды өзгерістермен ерекшеленеді. Осы уақытта алдымен Еуропада, ал кейін Америкада физикалық лабораториялар жасақталды. Осы лабораториялардың кейбірінде ғылыми мектептер пайда болды.

Бұрынғы кезде физик жалғыз жұмыс жасаған. Приборларды негізінен өз ақшаларына сатып алды немесе ғалымдардың өздері дайындады. Кей жағдайларда жекелеген бөлмелер лабораториялар ретінде қолданылды. Ақ жарықты шашырату бойынша тәжірибелерді Ньютон Кембридждегі өз бөлмесінде жасаған. Физикалық прибор ретінде өз ақшасына сатып алған призманы пайдаланған. Франклин атмосфералық электрлікті зерттеу үшін Филодельфиядағы өз үйінде темір оқшауланған серіппені қолданған. Джоуль жылудың механикалық эквивалентін анықтау бойынша өз эксперименттерін Манчестердегі үйінде жүргізген. «Гей-Люссак лаборатория ретінде ылғалды жартылай жертөлелік орынды пайдаланды. Ғалым ылғалдан сақтанып, ағаш шәркейде жұмыс жасаған». Фуко да өз үйінде эксперимент жүргізген. Дэви, Фарадей және Тиндаль жұмыс жасаған Royal Institution лабораториясын Тиндальдің еске түсіруінше «нашар желденіп, нашар жарықталатын және күнделікті көпсағаттық жұмыс үшін мүлдем жарамсыз еді. Бұл, бүкіл Лондондағы ең нашар лаборатория болар». Осы лаборатория 70 жылдай бастапқы қалпында тұрды. Экспериментаторлар практикалық физика бойынша қандай-да бір оқу курсынан өткен жоқ. Ол сол кезде болған жоқ. Сол кездегі университеттерде оқыту классикалық рухта жүрып, негізгі зейін математикалық және гуманитарлық ғылымдарға бөлінді. Физикаға аз орын берілді. Сонымен, Кембридж университетінде 70-ші жылдарға дейін физикадан тек оптика, гидростатика, механика ғана оқытылды. Трипос (ғылыми дәрежеге ізденушілерге арналған емтихан) негізінен математикалық ғылымдарды қамтыды.

Германияда ХІХ ғасырдың 40-шы жылдарына дейін оқыту мақсатындағы мекемелер мен ғылыми зерттеу мекемелері арасында үлкен айырмашылық болды. Мұндай жағдай Ресей университеттерінде де орын алып, мұндағы оқытушының негізгі міндеті – дәріс оқу болып, ал ғылым сабағы бар болғаны – міндетті емес, екіншілік мәнге ие болды.

ХІХ ғасырдың ортасындағы өнеркәсіптің, машина жасаудың, химия өнеркәсібінің, металлургия мен тау-кен ісінің, темір жол құрылысының қарқөынды дамуы, кеме және әуе жолдарының пайда болуы – осының барлығы ғылым дамуын ынталандырып, оны ұйымдастырудың жаңа формаларына жол ашты. Ғылым мен техника байланысы барынша күшейді.

Техника ғылымға табиғат құпияларын тангудың барынша қуатты қралдарын берді. Ауа үрлегіштердің жетілуі бұрындары мүмкін болмаған тәжірибелер мен өлшеулерді мүмкін еткен вакуум алуға жағдай жасады.

Осы уақытта физикалық теория мен эксперимент анағұрлым күрделенді. Физиктер алдында тұрған жаңа міндеттер өз шешімі үшін физиктердің барынша көп санын қажет етті. Жаңа жағдайларда ғалымдарды дайындаудың жаңа формалары мен қарқынын қарастыру қажет болды. Ескі білім мекемелері осы рөлді атқара алмай, оларды қайта құру мүмкін болмады.

ХІХ ғасырдың қырықыншы жылдарынан бастап физикадағы зерттеулердің ұжымдық әдістерін ұйымдастырудың жаңа формасы ретінде физикалық лабораториялар жасақтала бастады. Физиктерді қайта жасақтауда көшбасшылық Германияға тиесілі болып, ол сол кезде ұлттық және мәдени ілгерілеуге аяқ басты.

Алғашқөы физика лабораториясын Геттинген университетінде В. Вебер жасақтап, оны сонда 1831 жылы Гаусс шақырған болатын. Вебер студенттерді дәрістік тәжірибелер дайындауға тартты. Ең қабілеттілерге ол кішігірім физикалық зерттеулерді ұсынды. Ол кейінірек сұраныс білдірушілерге практикалық сабақтар енгізді. Вебердің кезінде физикалық бөлімді эксперименттік және теориялық физика кафедраларына бөлу жүрді. Алғашқысын Вебер, ал екіншісін – Листинг басқарды. Қос кафедрасының да мақсат-міндеттері бірдей болып, мұндағы ерекшелік Вебердің эксперименттік физиканы, ал Листингтің – теориялық физиканы оқытуыда болды.

40-шы жылдары Берлинде университет профессоры Генрих Густав мангус өз үйінің бірнеше бөлмесін физикалық лабораторияға айналдырып, онда жұмыс жасасу үшін студенттерді қабылдады. Мангуста тек Германиялық ғана емес, соынмен қатар, Америкалық, Англия мен Ресейлік жас ізденушілер де оқыды. Мангустағы зерттеу тақырыптары барынша сан-алуан еді. Дегенмен, Мангус лабораториясы Берлин университетіне қарасты жекеменшік лабораториядың жалғызы болған жоқ. Тіпті әрбір физик профессор өз пәтерінде лаборатория ашып, онда студенттер практикалық жұмыстар жасады.

Мангустан ерекшелігі, Ф. Нейман өзінің Кинсбергтегі лабораториясында эксперименттік және теориялық физикаларды біріктіре білді. Нейман лаборатырияны құру кезінде көптеген қиындықтарға тап болды. Ол ресми билікке математикалық физика бойынша өз семинарына қосымша физикалық лабораторияны қаржыландыру өтінішімен шықты. Ресми билік бас тартты. Нейман лабораторияны өз қаржысына ұйымдастырды. Неманның шәкірттері Мангусқа қарағанда аз болды. Олар, эксперментке өтпестен бұрын, механика мен математикалық физика бойынша үлкен дайындықтан өтті. Оның ұлы оқушыларының арасында Густав Роберт Кирхгоф та болды.

1872 жылы негізі қаланған жаңа Страсбург университетінде физикалық институт құрылысы алдын-ала қарастырылған болатын. Оның директоры Кундт көптеген институттар үшін ұзақ уақыт прототип болған оқу мен зерттеуге арналған өте қолайлы институтты жасақтады. Мұнда Кундт басшылығымен Рентген, Лебедев, пашен, Рубенс, Винер, Голицын секілді экспериментаторлардың ұзын-сонар тізбегі дайындалды. Страсбург университетінің соңынан 1875 жылы Лейпцигте, Мюнхенде, Бонда, Бреслауда, Фрайбург пен басқа да қалаларда физикалық институттар салына бастады. Көп ұзамай әрібр неміс университеті жақсы жарақталған физикалық лабораториясымен даңқы шықты. Лабораториялар жасау физикалық приборлар шеберханаларының ескілерінің дамуына, ал жаңаларының негізделуіне жол ашты.

ХІХ ғасырдың 70-ші жылдары әлемнің жетекші капиталисттік державасы – Ұлыбритания өз даңқын жоғалта бастап, өзінің біршама жас қарсыластары – Германия мен АҚШ-қа жол бере бастады. Бұл құлдырау лабораториялар құрылысы қарқынында да көрініс берді. Ұлыбританиядағы эксперименттік оқыту пионерлерінің арасында профессорлар – В. Томсон (Кельвин), Клифтон, Фостер, Адамс, Б. Стюарт болды.

1871 жылы Оуэн-колледжінде (Манчестер) физикалық лабораториядағы сабақтар Бульфор Стюарт басшылығымен жүргізіле бастады. Одан белгілі ағылшын физигі А. Шустер және электронды ашқан атақты Дж.Дж. Томсон эксперименттеу өнерін үйренді. Кембриджде эксперименттік өнерге оқыту 1874 жылдан бастап атақты Кавендиш лабораториясы ғимаратында жүргізіле бастады. Ол жекелеген құралдарға құрылып, физиканы дамытуда үлкен рөл атқарды. Түрлі уақытта оның жетекшілерінің Максвелдің, Рэлейдің, ДЖ.ДЖ. Томсонның, Резерфордтың болғандығын айту жеткілікті.

1869 жылы Бостондағы Массачусет технология институтында жүйелі лабораториялық оқытуды профессор Э.С. Пикеринг біршама үлкен қарқынмен енгізді. Массачусет технология институтының негізін салушы В.Б. Роджерс болды. Ол елді экономикалық өсіру жағдайындағы жаңа білім мекемелерінің маңыздылығын мойындады. Роджерс лабораториялардағы оқуға ерекше маңыз берді.

1868 жылы 31 шілдеде француз білім Министрі студенттерге арналған практикалық сабақтарды жүргізу мен студенттер үшін лабораториялар және ғылыми зерттеулер үшін арнайы лабораториялар жасау қажеттігін мақұлдайтын екі декрет қабылдады. Осы жылы профессор Жамен Сорбонда лабортория ашты. Ол өлгенге дейін осы лабораторияны басқарып өтті. 1868 жылы Францияға келген профессор Адамс «практикалық физикаға жүйелі оқыту жүргізілген жалғыз лабораторияны тапты». 1891 жылдан бастап Сорбонда оқыған М. Складовская-Кюри физика бойынша практикалық оқу курсынан өткенімен, ол металдардың магниттік қасиеттерін зерттеу бойынша алғашқы зерттеуін Сорбонның асқын жүктелген лабораторияларында жүргізе алмады.

Орыс физиктері үшін жұмыс орны қызметін физикалық кабинеттер атқарды. Мұнда дәрістік демонстрацияларда қолданылатын аппаратура сақталды. Ресейдегі алғашқы лаборатория негізін 1865 жылы Петербург университетіне қарасты Ф.Ф. Петрушевский қалады. Лаборатория ғимарат, қажеттілік үшін шығарылған приборлар мен құралдар жетіспеуінен үлкен қиындықтарды бастан кешірді. Петрушевский және оның шәкірті И.И. Боргман замаануи талаптарға жауап беретін физикалық лаборатория салу үшін күресті. Олардың қамқорлығының арқасында физикалық институттың жаңа ғимаратын салуға қажет қаражат бөлініп, 1901 жылдың 9 қыркүйегінде физикалық институт ашылды.

1867 жылы Д.А. Лачинов Петербург жерісі институтында физикалық лаборатория жасақтады. 70-інші жылдары В.П. Авенариус Киев университетінде, ал А.Г. Столетов – Мәскеу университетінде физикалық лабораториялардлы ұйымдастырды.

Сонымен, шетелдегі лабораториялармен бірмезгілде Ресейдегі Петербург және Мәскеу университеттерінде физикалық лабораториялар пайда болды. Бірақ Ресейдің экономикалық мешеулігі, үкіметтің реакциялығы лабораториялардың дамуына кедергі келтірді. Лабораториялық құралдар қажеттігіне жұмсалатын қаржының мардымсыздығы, ғылыми зерттеулер маңызын бағаламау ғылыми лаборатория жетекшілерін эксперименттік жұмысқа арналған әрбір бөлме үшін, әрібр прибор, әр шәкірт үшін тұрақты түрде күрес жүргізуге мәжбүрлеп, көптеген уақыт пен күшті зая етті.