Теплота. Тепловое расширение. Сжижение газов

Исследовалось тепловое расширение газов, жидкостей и твердых тел, в частности биметаллов. Вольта получил значение коэффициента расширения газов 1/270 1/ С. Но его статья, опубликованная в малотиражном журнале, не была замечена. Шарль (1746-1823) нашел, что ряд газов (кислород, азот. углекислый газ и воздух) расширяются одинаково в интервале температур 0-100 С°. Гей-Люссак (1778-1850) обобщил эти наблюдения на все газы и постоянную расширения нашел равной 1/266,66.

Использование испарения для охлаждения было известно издавна и даже использовалось для охлаждения воды в пористых сосудах. В 1810 г. Волластон построил свой криофор, используемый и в наше время. В 1871 г. Карл Линде(1842-1934) создал холодильную машину, в которой охлаждение достигалось за счет расширения газов. В 1896 г. он получил жидкий водород. Сжижение газов началось с середины 18 в. сжижением аммиака простым охлаждением, а также удалось получить жидкий серный ангидрид, хлор (1805). Майкл Фарадей тоже занимался сжижением газов.

В 1860 году Д.И.Менделеев (1834-1907) утверждал, что для всех жидкостей должна существовать “абсолютная” температура кипения, выше которой жидкости переходят в газообразное состояние при любом давлении. Ряд газов не поддавался сжижению и получил название перманентных: кислород, азот, воздух, водород. Но и они постепенно были сжижены.

Зарождение термодинамики

Во второй половине 18 столетия теория флуидов (“невесомых”) одержала победу над механической теорией теплоты. Однако, к концу столетия ситуация обострилась и вступила в решающую фазу. По мнению сторонников теплорода, теплород содержится в газе, как сок в апельсине. При сжатии газа из него выделяется теплород, что проявляется в форме нагрева. Еще в 1829 году Био, автор самого авторитетного и популярного учебника по физике, писал, что причина возникновения теплоты при трении все еще неизвестна.

Принцип Карно. Совершенствование паровой машины вызвало к жизни много исследований. Сади Карно(1796-1832), сын Лазаря Карно, французского революционного генерала и специалиста по аналитической механике был военным инженером. В 1824 г. он опубликовал сочинение “Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу”, где, исходя из невозможности создания вечного двигателя, впервые показал, что полезную работу можно получить лишь в том случае, когда тепло переходит от нагретого тела к более холодному (второе начало термодинамики).

Природа рабочего тела роли не играет, а существенна лишь разность температур. Работа написана ясно и изящно, но внимание на нее обратили лишь после того, как в 1934 г. Клапейрон придал ей доступную математическую форму. С.Карно пришел к пониманию механического эквивалента теплоты. Внимание к механическому пониманию теплоты было привлечено в среде неакадемических ученых, не обремененных грузом традиций и авторитетом учителей. Это 30-летний военный инженер Сади Карно, 28-летний Роберт Майер(1814-1878), владелец пивоваренного завода 25-летний Джемс Джоуль (1818-1889) и др.

В 1841 г. Майер написал первую работу, которую редактор немецкого журнала “Аnnalen der Physik” Поггендорф отказался печатать, за что его впоследствии “подкалывали”. Но статье это пошло на пользу, она была улучшена автором. По Майеру, все движения и изменения в мире порождаются "разностями" (перепадами, - А.Р.), вызывающими силы, стремящиеся уничтожить эти разности.

В то время энергию нередко называли силой. Майер же всю жизнь занимался проблемой теплоты, доведя себя до психического истощения. Механический эквивалент теплоты он проницательно выводит из данных по удельной теплоемкости газов при постоянном давлении и постоянном объеме (метод Майера). Он нашел, что 1 ккал=365 кгм. Точная цифра составляет 437 (Джоуль). Не зная о работе Майера, Герман Гельмгольц (1821-1894) опубликовал свою знаменитую работу “О содержании понятия “сила”. Ее Поггендорф тоже отказался публиковать. Как и Майер, он основывался на неуничтожимости энергии. Вся физика 19 в. основывается на двух различных сущностях - материи и энергии. Различие их в том, что энергия невесома (декартов дуализм и продолжение линии “невесомых”).

Термодинамика

К середине 19 в. возрастает потребность в теории действия паровой машины. В 1849 г. Вильям Томсон (1824-1907, впоследствии лорд Кельвин) занялся расчетами мощности паровой машины. Он еще опирается на теорию теплорода. В 1850 г. Рудольф Клаузиус (1822-1888) пересматривает представления о работе тепловой машины. Он ввел понятие внутренней энергии. Клаузиусу пришлось защищать принцип Карно , который впоследствии лег в основу т.н. второго начала термодинамики (теплота не может самопроизвольно переходить от холодного конца к теплому). По Клаузиусу, явления природы необратимы. В 1865 г. Клаузиус ввел новую величину - энтропию, вернее ее изменение.

В идеальном случае обратимых процессов энтропия остается постоянной. Этимологически “энтропия” означает “изменение”. Сопротивление ученых введению этого понятия связано с тем, что энтропия не действует на наши органы чувств. Но физика продолжала терять наглядность. Окончательные права гражданства механическая теория теплоты приобрела в науке лишь к концу 19 в. благодаря работам Больцмана и Макса Планка (1887-1892).

Основоположники термодинамики Карно, Майер, Джоуль в сущности не интересовались природой теплоты, но лишь переходом ее в работу. В 1851г. В. Томсон (он же лорд Кельвин) формулирует 2-е начало термодинамики: “Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля получить от какого-либо количества вещества механическую работу путем охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов”. Томсон считает эту формулировку отличающейся только по форме от положения Клаузиуса, которому, по Томсону, и принадлежит приоритет, хотя он, Томсон, и пришел к своей формулировке самостоятельно. Томсон определил КПД тепловой машины. Он же установил и абсолютную температурную шкалу (шкала Кельвина).

В 1854 г. в своей статье Томсон идет дальше: если система совершает обратимый цикл и получает или отдает при этом количества теплоты ... - при соответствующих температурах (в современных обозначениях), то для всего цикла имеет место равенство: .

В. Томсон считал это математической формулировкой 2-го закона динамической теории теплоты (термодинамики). Клаузиус обобщил это как . Таким образом, - полный дифференциал для обратимых процессов и является термодинамической функцией (Ранкин). Если принять обозначения или, в общем случае , то появляется функция , которую Клаузиус считал мерой способности теплоты к превращению и дал название “энтропия”.

Новый закон утверждал односторонность протекания всех физических процессов. В результате энергия “обесценивается”, “деградирует”, в замкнутой системе наступает “тепловая смерть”. Возникает противоречие между 1-ым и 2-ым началами: энергия сохраняется лишь формально, но деградирует. Тепловая смерть Вселенной как бы становится оправданием библейской легенды о сотворении и конце мира.

Важный вклад в атомистическое обоснование термодинамики внес Максвелл в книге “Пояснение к динамической теории газов” (1860). Он выводит закон распределения частиц по скоростям. Наиболее важные результаты по развитию кинетической теории теплоты были получены Людвигом Больцманом (1844-1906). В 1866 г. он дает усовершенствованное доказательство закона распределения молекул по скоростям, вывел кинетическое уравнение (1872).

В том же 1872 г. Больцман впервые доказал знаменитую Н-теорему (название было дано позже), согласно которой идеальный газ, находящийся первоначально в нестационарном состоянии и рассматриваемый с точки зрения молекулярно-кинетической теории, сам собой с течением времени должен переходить в состояние статистического равновесия, а функция распределения переходит к функции Максвелла-Больцмана.

Против атомистики в 1895 г. резко выступил Оствальд, затем Мах. Атомизм казался пройденным этапом. Однако, в начале 20 в. отношение к теории Больцмана изменилось. Нужно отметить, что Больцман опирался на понятие энтропии, которую он толковал вероятностным образом. Теория Больцмана получила признание вместе с исследованием броуновского движения (1827 г. - биолог Р.Броун).

Сначала считали, что причина - в органическом происхождении броуновских частиц, затем поняли, что это не так, и стали объяснять конвекционными потоками в жидкости. Затем - тепловым движением атомов и молекул. В 1905 г. Эйнштейн рассмотрел броуновское движение как подтверждение кинетической теории теплоты и атомной гипотезы, считая броуновскую частицу аналогом молекулы.

Метод исследования, примененный Больцманом и Максвеллом и названный затем Максвеллом статистическим, был развит далее Гиббсом в 1902 г. Гиббс использовал представления о фазовом пространстве.

Для объяснения отсутствия “тепловой смерти” Больцман выдвинул флуктуационную гипотезу, в которой впервые опровергалась возможность применения 2-го закона ко всей Вселенной. Обсуждение этого вопроса растянулось на целое столетие, а само значение 2-го закона термодинамики не уменьшилось, а возросло, поскольку теперь его связывают с понятием информации.

Интересен мысленный эксперимент, который предложил Максвелл.[19] Это эксперимент с “демоном”, который перегоняет все молекулы через задвижку из одной половины сосуда в другую, и тогда второе начало будет нарушено. Большинство физиков, например Пуанкаре, не хотело мириться с вероятностным подходом, и стояло на позициях изначального детерминизма.

В первой половине 20-го века возникла термодинамика необратимых процессов, рассмотревшая процессы перехода к равновесию в неравновесных системах. Теорема американского физика Онсагера (1931 г., Нобелевская премия по физике, 1968 г.) связывает т.н. потоки (массы, энергии, энтропии) с термодинамическими силами (вспомним Р. Майера!)..

На основе работ Л. Онсагера (1903-1976) бельгийский физик и химик И.Р. Пригожин рассмотрел условия минимального производства энтропии в неравновесных условиях. Эти работы заложили основы термодинамики открытых систем. Применение этих положений ко всей Вселенной позволяет по-новому взглянуть на проблему "тепловой смерти", которая теперь перестала считаться неизбежным результатом эволюции, в противоположность выводу Р. Клаузиуса (1865г.), сделанному на основе равновесной термодинамики (2-ое начало).

Электродинамика

Электрический ток

Электрический “флюид” от гальванической батареи, проявлявшийся, казалось бы, слабее, чем от электрофорной машины или лейденской банки, тем не менее, производил химические эффекты: разложение жидкостей и окисление металлов, чего не могло делать “более грозное” электричество от электростатических машин. Ток батареи мог убивать животных, тогда как разряд лейденской банки лишь оглушал. Идентичность “гальванизма” и электричества была установлена не сразу, и сделали это А. Вольта и др.

В 1820 г. датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777-1851) описал действие электрического тока на магнитную стрелку. Это была “поворачивающая” сила неньютоновского типа, действующая перпендикулярно объекту. Появилась первая трещина в ньютоновской модели мира. Эрстед объяснял свой опыт спиральным движением вокруг проводника электрической положительной или отрицательной материи. Он верил, что между электрическими, тепловыми, световыми, химическими и магнитными явлениями существуют связи. На его мировоззрение оказали влияние натурфилософские взгляды Шеллинга.

Электродинамика Ампера

Одновременно с работами Био и Савара и даже раньше них появились исследования Андре Мари Ампера (1775-1836). Воззрения Ампера формировались под влиянием французских просветителей и материалистов. Он был противником концепции “невесомых”, в том числе теплорода. В 1820 г. Араго продемонстрировал опыты Эрстеда во французской академии наук, что оказало влияние на французские исследования.

Ампер, например, свойства магнита объяснял наличием молекулярных токов. Его главный труд “Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта”. Он открыл эквивалентность магнита и соленоида. Ему принадлежала идея создания прибора для измерения силы тока. До этого измерения проводили по магнитному действию тока с помощью крутильных весов. Ему принадлежала идея электромагнитного телеграфа, которая была реализована.

В середине 20-х гг. исследованием цепи постоянного тока занялся немецкий физик Георг Симон Ом (1787-1854). В качестве источника напряжения он использовал термоэлемент из висмута и меди. Сила магнитного действия тока (по-современному - сила тока) Х описывается формулой: , где и - постоянные, причем а пропорциональна возбуждающей силе термоэлемента, х - длина проводника, а - характеристика всего остального участка цепи, пропорциональная его сопротивлению (включая и термоэлемент). Он нашел также связь силы тока с геометрическими размерами проводника: , где - длина проводника, - поперечное сечение, - коэффициент проводимости проводника.

Спустя 15 лет после открытия закона Ома (1826 г.) был открыт закон превращения электрического тока в тепло. Он был установлен экспериментально англичанином Джоулем (1843), и независимо от него петербургским академиком Ленцем (1844) - закон Джоуля-Ленца.

Работы Ома прошли вначале незамеченными и не открыли ему пути в университет. Он так и остался преподавателем гимназии в Кельне. Главный его труд, опубликованный в Берлине “Гальваническая цепь, обработанная математически”, остался незамеченным. В своих теоретических исследованиях он вдохновлялся аналитической теорией теплоты Фурье. Его обвиняли в болезненной фантазии, единственной целью которой было “стремление принизить достоинство природы”.

В области электромагнетизма работало много ученых, в их числе были Вебер и Фехнер, открывшие к тому же известный закон в психологии.

В 1866 г. заработал трансатлантический кабель. В его создании принимал участие и В. Томсон (лорд Кельвин). А в 1873 г. в историческом отчете комиссии Британской ассоциации были изложены мысли об абсолютной системе единиц, хотя первая международная система единиц была введена только в 1935 г. (система Джорджи - метр, килограмм-сила, секунда, ом). Большое значение придавали анализу размерностей, который был как бы ключом к тайнам природы (потом, правда, “охладели” к этому).

Электромагнетизм

Майкл Фарадей

Родился в предместье Лондона в семье кузнеца. В 13 лет, имея лишь начальное образование, был отдан в обучение книготорговцу и переплетчику, у которого пробыл до 1812 г. Работая в книжной лавке, перечитал много книг видных ученых, философов. Особенно его интересовали книги по физике и химии. Посетив публичную лекцию Дэви, он попросился к нему на работу сначала переписчиком, затем лаборантом, а с 1815 г. стал ассистентом.

Взгляды Фарадея (1791-1867) на материю и движение были оригинальны. Этим он напоминал Ломоносова. Не будучи атеистом в жизни, в науке он был материалистом и не допускал вмешательства религии. Единство и взаимная превращаемость сил природы - его кредо. В понимании природы электромагнетизма он пришел к полю. Научная гипотеза была для него важна.

Тиндаль о гипотезах Фарадея: “...постоянно пользуется ими, имея в виду приобрести цель для новых опытов, и постоянно покидает их, как архитектор, разбирающий свои леса по окончании постройки”. Недаром он по типу “Дон Кихот”!

Гибкостью отличались и представления Фарадея о силовых линиях. Уже в своих первых сообщениях он на основании принципа близкодействия говорит об особом состоянии, в котором находится материя вокруг проводника с током или магнита, называя его “электротоническим”, т.е. электровозбужденным (“вихри” Декарта, поле!). Конкретное содержание этому понятию придаст уже Максвелл. В электролизе Фарадей считал, что молекула электризуется от соседней молекулы (близкодействие!). Опытным путем Фарадей доказывает идентичность всех видов электричества: от трения, термоэлектричество, от химических батарей, электромагнитная индукция.

Будучи величайшим экспериментатором, он, тем не менее, лишает понятие электрического тока физического (механического) истолкования и объявляет его чисто математическим. Посоветовавшись с известным историком науки Уильямом Уэвеллом (1794-1866), он предложил заменить термин “полюс” на “электрод”.

Термины ион, анион, катион, электролит также ввел Фарадей. Открыл законы электролиза. Им установлено, что выделение на медной пластине служит уменьшению напряжения. Если “связать” этот водород, можно добиться постоянства напряжения на элементе. Отсюда появилась серия “нормальных” элементов: Даниэля, Лекланше, Кларка, Вестона.

Магнитооптика

После неудачных попыток исследовать влияние электрического поля на световой луч Фарадей стал исследовать влияние магнитного поля, поместив параллелепипед из тяжелого стекла (флинтглас) между полюсами электромагнита. Через стекло пропускали луч поляризованного света параллельно линиям магнитного поля: плоскость поляризации поворачивалась.

Об этом Фарадей сообщил в 1845 г. в 19-ой серии своих “Исследований по электричеству”, озаглавленной “Намагничение света и освещение магнитных силовых линий”. А в письме к Ричарду Филлипсу он высказал предположение, что свет есть дрожание силовых линий: “Если допустить такую возможность, то можно было бы обойтись без эфира, который, согласно другой точке зрения, является той средой, в которой совершаются эти колебания”.

Вращение плоскости поляризации в магнитном поле происходило в среде, а не в пустоте, и Фарадей решил заняться строением материи. “Нужно было обладать могучим даром научного воображения, чтобы распознать, что в описаниях электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами” (А. Эйнштейн). Открытия Фарадея имели многочисленные технические применения (электротехника, генераторы постоянного и переменного тока), но сам он этим не занимался.