ТЕПЛОТА

8. ТЕМПЕРАТУРА И ТЕРМОМЕТРЫ

В начале XVIII века количественных исследований тепловых явлений почти не производили. Лучшими инструментами по-прежнему оставались флорентийские термометры (см. гл. 5, § 15). В 1702 г. Гийом Амонтон (1663-1703) усовершенствовал воздушный термометр Галилея, сконструировав термометр, в основном совпадающий с современным газовым. Термометр Амонтона представлял собой U-образную стеклянную трубку, более короткое колено которой заканчивалось резервуаром, содержащим воздух; в длинное колено наливалась ртуть в количестве, необходимом для поддержания постоянства объема воздуха в резервуаре. По высоте столба ртути определялась температура. Интересно, что с этим инструментом, встреченным весьма неодобрительно, Амонтон пришел к понятию абсолютного нуля, который по его данным соответствовал -239,5° С. Ламберт повторил опыты Амонтона с большей точностью и тоже пришел к понятию абсолютного нуля, которое он выражает так:

«Степень тепла, равная нулю, может быть фактически названа абсолютным холодом. Значит, при абсолютном холоде объем воздуха равен или почти равен нулю. Можно сказать, что при абсолютном холоде воздух становится столь плотным, что его частицы абсолютно соприкасаются друг с другом, так что воздух становится непроницаемым» (Johann Heinrich Lambert, Pyrometrie, Berlin, 1779, S. 29).

Сравнительная таблица термометрических шкал по Жан-Жаку де Мерану. (J. J. De Mairan, Dissertation sur la glace, 1749.)

Решающее усовершенствование конструкции термометра произвел немец Габриэль Даниэль Фаренгейт (1686-1736), воспользовавшийся идеей Олафа Рёмера. Фаренгейт изготовлял ртутные и спиртовые термометры той формы, которая применяется и сейчас. Успех его термометров следует искать во введенном им новом методе очищения ртути; кроме того, перед запаиванием он кипятил жидкость в трубке. Его термометрическая шкала (во втором варианте, принятом с 1714 г.) имела три фиксированные точки: 0° соответствовал температуре смеси воды, льда и нашатыря, 96° - температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту). В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение 32° для точки таяния льда.

Рене Антуан Фершо де Реомюр (1683-1757) не одобрял применения ртути в термометрах вследствие малого коэффициента расширения ртути. В 1730 г. он предложил применять в термометрах спирт и ввел шкалу, построенную не произвольным образом, как шкала Фаренгейта, а в соответствии с тепловым расширением спирта. И поскольку Реомюр нашел, что применяемый им спирт, смешанный в пропорции 5:1 с водой, расширяется в отношении 1000 : 1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, то предложил шкалу от 0 до 80°. К этим двум шкалам добавилась шкала Цельсия - Штрёмера (см. гл. 5, § 15). К концу столетия число различных шкал быстро возросло. В «Пирометрии» Ламберта приводится 19 шкал. К счастью, сейчас применяются лишь три описанные выше шкалах, и этого тоже слишком много. История установления метрической системы служит наглядным примером того, как трудно остановиться на какой-либо системе мер, преодолев для этого силу традиций, различие интересов изготовителей и национальные чувства.

В 1747 г. голландец Петер ван Мушенбрек (1692-1761), первый автор систематического курса физики, использовал расширение железного бруска для измерения температуры плавления ряда металлов. Мушенбреку мы обязаны первыми опытными исследованиями теплового расширения твердых тел, которое он регистрировал с помощью механизма из зубчаток и рычагов, сходного с демонстрируемым сейчас в школе.

9. О ПОЯВЛЕНИИ ПАРОВОЙ МАШИНЫ

Хотя история техники находится вне рамок нашей книги, необходимо все же сказать несколько слов о появлении паровой машины, которая оказала прямое влияние на собственно физические исследования.

Еще в XVI веке некоторые ученые, как, например, Кардан и Порта, рассматривали силу расширения водяного пара. Порта даже придумал приспособление для подъема водяного столба, где использовалось разряжение, образующееся при конденсации водяного пара. В 1629 г. Джованни Бранка (1571-1640) задумал переделать эолипил Герона (см. гл. 1, § 7) в настоящую паровую турбину. Но проект так и не был осуществлен; в лучшем случае была создана лишь модель.

Дени Папен (1647-1714), работавший в 1682 г. вместе с Гюйгенсом над созданием машины, в которой поршень внутри трубы подымался при помощи взрыва порохового заряда, помещаемого под цилиндром, в 1690 г. решил заменить пороховой заряд водой, выпариваемой с помощью нагрева. Не так важно, удалось ли ему достичь практических результатов с помощью этой или какой-либо иной тепловой машины, приписываемой ему. Известно, что в процессе этих исследований он обнаружил увеличение температуры кипения воды с ростом давления и применил это открытие для получения воды при температуре выше 100° С, нагревая ее в закрытом котле. Во избежание возможного взрыва котла из-за слишком большого давления он применил изобретенный им предохранительный клапан.

Англичанин Эдуард Сомерсет (1601-1667) изобрел тепловую машину для подъема воды; это изобретение повторил позднее, в 1698 г., Томас Сэвери (1650-1715). Рисунок этой машины в 1705 г. Лейбниц послал Папену. Но как раз в том году слесарь Томас Ньюкомен (1670-1730) получил патент на тепловую машину - первую машину, которая с успехом применялась для подъема воды. В машине Ньюкомена получаемый в котле пар поступал через клапан в цилиндр и поднимал в нем поршень. Затем клапан закрывался и пар конденсировался при охлаждении цилиндра водой. При этом поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Движение поршня через балансир передавалось насосу. Эта весьма несовершенная машина применялась десятилетиями, потребляя огромное количество тепла, главным образом из-за необходимости охлаждения цилиндра струями воды после каждого подъема поршня.

Методическое экспериментальное изучение паровой машины предпринял Джемс Уатт (1736-1819), изготовлявший математические и механические инструменты в университете в Глазго. Он намеревался прежде всего исключить потерю тепла за счет охлаждения цилиндра. В 1765 г. ему пришла идея выводить пар из цилиндра, соединив в надлежащий момент цилиндр с пустым резервуаром, куда пар сам бы устремился. Так был изобретен третий элемент тепловой машины - конденсатор.

Джемс Уатт. Портрет работы К. Ф. Бреда

Воодушевленный первым успехом, Уатт продолжал вносить в машину дальнейшие важные усовершенствования: он переделал ее в машину двойного действия (т. е. пар поступал по обе стороны от поршня), ввел центробежный регулятор ввода пара, золотник, паровую рубашку вокруг цилиндра, индикатор давления. Все это - существенные элементы современного теплового двигателя, так что можно считать, что Уатт не усовершенствовал, а фактически изобрел паровую машину.

10. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ

В гл. 5 мы уже упоминали, что члены Академии опытов первыми ввели понятие тепловой емкости тел. Но эта часть их трудов оставалась неизданной до 1841 г., так что в течение всего XVII века температура и теплота не различались. В трудах того времени часто встречались утверждения, что термометры измеряют «абсолютное» количество теплоты. Трудность, с какой начинающие изучать физику различают понятия температуры и теплоты, отражает этот исторический факт. Только в 1729 г. Клингенстерна в своей критике трактата по физике Мушенбрека утверждает, что температура и теплота - это не одно и то же. А в 1750 г. петербургский физик Георг Вильгельм Рихман (1711-1753) установил на опыте, что если смешать равные количества воды, имеющие различную температуру, то температура смеси будет равна среднему арифметическому температур обеих частей, тогда как при смешивании различных количеств воды это не имеет места. В этом случае конечная температура равна среднему взвешенному температур обеих частей.

Паровая машина Уатта начала XIX века, соединенная с гидравлическим насосом (справа)

Еще больший отклик вызвали не менее важные опыты Джозефа Блэка (1728-1799) по плавлению и испарению, проведенные им в 1757 г. До него считалось, что достаточно довести твердое тело до температуры плавления, чтобы исчезли силы сцепления между частицами и твердое тело превратилось в жидкость. Однако Блэк установил на опыте, что для того, чтобы растопить лед, недостаточно довести его до температуры 32° F (что соответствует 0° С); после достижения этой температуры нужно еще на каждую единицу веса льда добавить единицу веса воды при температуре 172° F (- 77,8° С). Следовательно, существует некий агент, который не только действует на чувство осязания и ощущается как температура тела, но вызывает также изменение состояния тела. Блэк показал, что этот агент, названный теплородом, к которому мы вернемся в следующем параграфе, необходим и при испарении тела: если поместить сосуд с водой при 100° С на горелку, то для того, чтобы выпарить эту воду, требуется продержать сосуд на огне столько времени, сколько требуется для нагрева на один градус в 445 раз большего количества воды. Итак, из опытов Рихмана и Блэка был сделан вывод, что термометр не измеряет количества «теплорода», и были произведены первые измерения теплоты плавления и теплоты парообразования.

Опыты Рихмана были повторены в 1772 г. Иоганном Карлом Вильке (1732-1796), который проверил формулу для температуры смеси и ввел единицу измерения тепла - количество тепла, соответствующее уменьшению температуры единицы веса воды на один градус Цельсия. Это определение лежит в основе современного определения калории.

В то время появилось понятие «теплоемкости» - выражения, применявшегося тогда в двух совершенно различных значениях, что может дезориентировать современного читателя. Одни применяли его для обозначения полного количества тепла, «содержащегося» в теле, которое ни тогда, ни сейчас не поддается никаким способам измерения. Другие, и таких было большинство, применяли его в современном смысле для обозначения количества тепла, необходимого для нагрева или охлаждения тела на один градус (по выбранной шкале температур). От этого понятия легко перейти к понятию удельной теплоемкости, т. е. теплоемкости единицы массы тела. Ее исследование начал Вильке в своей работе 1781 г., в которой произвел первые измерения теперь хорошо известным «методом смешения». Вильке ввел также понятие «водяного эквивалента» и заметил, что удельную теплоемкость можно определить и по количеству льда, растопленного исследуемым горячим телом. Метод смешения применялся физиками в последующем столетии бесконечное число раз. К этому методу прибегли Дюлонг и Пти (1819 г.), чтобы определить удельные теплоемкости большого числа твердых тел, что привело их к знаменитому закону постоянства произведения удельной теплоемкости на атомный вес - закону, весьма ценному для химии и доставившему столько хлопот более чем через столетие теоретической физике (см. гл. 13, § 11).

Г. В. Рихман

Другой метод измерения удельной теплоемкости, рекомендованный Вильке и основанный на растоплении льда, был применен в совместной работе двух титанов науки - Антуана Лавуазье (1743-1794) и Пьера Симона Лапласа (1749-1827). Сведения о ней приведены в исследовании, опубликованном в 1784 г. в «Мемуарах Парижской Академии наук» (датированных 1780 г.). Лавуазье и Лаплас сконструировали прибор, названный ими калориметром (это название до сих пор осталось в науке), который состоял из трех концентрических резервуаров. Во внутреннем, металлическом резервуаре помещалось нагретое тело, в промежуточном - лед, в наружном - вода или лед, служащие для обеспечения постоянной температуры 0° С в промежуточном резервуаре. По количеству растаявшего льда, учитывая водяной эквивалент внутреннего сосуда, Лавуазье и Лаплас определили удельные теплоемкости многих тел, твердых и жидких. Они открыли, что удельная теплоемкость тела не постоянна, а зависит от температуры, и даже утверждали, что она всегда растет с температурой, что, как известно, не всегда верно.

Калориметр (1852 г.) Пьера Фавра и Иоганна Зильберманна - предшественник калориметра Бунзена (М. Роuillеt, Elements de physique experimentale et de meteorologie, 1853.) Сосуд а, наполненный 8-10 кг ртути, заканчивается длинной калиброванной трубкой df. По 'перемещению ртути в трубке судят о количестве тепла, отданном исследуемым телом, находящимся в металлической трубке b

Основной недостаток калориметра Лавуазье и Лапласа заключается в том, что часть воды прилипает ко льду и не может быть собрана. Было предпринято много попыток улучшить этот прибор, уменьшив потери воды. Однако устранен этот недостаток полностью был только в 1870 г., когда Бунзен предложил свой известный калориметр, в котором количество растаявшего льда определяется по уменьшению объема.

11. ПРИРОДА ТЕПЛОТЫ

Еще со времен античности существовали две теории природы теплоты. Согласно одной, теплота - это вещество; согласно второй - это состояние тела. Но представления о теплоте зачастую бывали весьма неясными. Так, у философов ионийской школы четвертым элементом был огонь. И тогда, и позже многие отождествляли огонь с теплотой, другие же считали огонь лишь источником тепла, а тепло считали неким состоянием тел. Роджер Бэкон, а затем Кеплер определили это состояние как состояние движения внутренних частей тел. Еще более явно Бойль рассматривал теплоту как состояние движения молекул. Именно это представление и было, пожалуй, господствующим в XVII веке. Оно было так распространено среди ученых первой половины XVIII века, что, когда Парижская Академия наук объявила конкурс на лучшую работу о природе тепла, Леонард Эйлер, принимавший участие в конкурсе и получивший премию, писал:

«То, что теплота заключается в некотором движении малых частиц тела, теперь уже достаточно ясно» (Recueil des pieces qui ont remporte les prix de l'Academie Royale de Sciences, IV, 1752,. p. 13).

Но во второй половине XVIII века одержала верх субстанциальная, или, как еще часто говорят, материальная, теория теплоты, и прежде всего благодаря работам Блэка. Успеху этой теории способствовала также химическая теория «флогистона», яростно поддерживаемая Георгом Эрнестом Шталем (1670-1734), и тенденция натурфилософии того времени выдвигать модельные гипотезы картезианского типа. К тому же успехи экспериментов, полученные в соответствии с предсказаниями этой теории и описанные в предыдущем параграфе, были бесспорны. Субстанциальная теория теплоты постулировала существование флюида специального рода, ответственного за тепловые явления, так называемого «теплорода», считавшегося невесомым, рассеянным по всей материи, способным проникать в тела, «сочетаться» с ними и превращать твердые тела в жидкие, а жидкие в газообразные. В то время писались равенства такого типа: лед + теплород - вода, вода + теплород = водяной пар. Теплота, «сочетавшаяся» с телом, не обнаруживалась термометром, это «скрытая теплота», на термометр действует лишь «свободная теплота». В 1780 г. Марат, в будущем известный революционер, развил полную теорию теплорода.

И все же механическая концепция теплоты полностью не исчезла даже во второй половине XVIII века. Достаточно привести следующий отрывок из уже цитированных выше мемуаров Лавуазье и Лапласа:

«У физиков нет согласия в отношении теплоты. Многие из них рассматривают ее как флюид, рассеянный по всей природе... Другие же считают ее лишь результатом невидимых движений молекул, их колебаний во всех направлениях, возможных благодаря пустым промежуткам между молекулами. Это невидимое движение и есть теплота. На основе закона сохранения живой силы можно, следовательно, дать такое определение: теплота это есть живая сила, т. е. сумма произведений масс всех молекул на квадрат их скорости» (Histoire de TAcademie Royale des Sciences de Paris, Memoires, 1780, p. 357).

Ученые-естествоиспытатели не вмешивались в спор сторонников этих двух представлений, ограничиваясь замечаниями типа «возможно, обе теории верны».

То, что в этот период преимущество отдавалось флюидной теории, вероятно, объясняется тем, что для слабо развитой науки наглядная гипотеза, соответствующая непосредственной интуиции и допускающая простые аналогии, есть если не более мощное, то более удобное эвристическое средство, нежели более опосредствованное математическое представление. Следует также помнить, что субстанциальная теория, какой бы грубой она ни казалась, позволяла количественное измерение тепла, тогда как механическая теория была еще в начальной фазе, исключительно качественной.