3. Формирование понятии температуры и количества теплоты

Измерение теплового состояния тел начал Галилей. В 1597 г, он демонстрировал на своих лекциях первый термометр, или, как его называли, термоскоп. Последний представлял собой стеклянную трубку с уширением в верхней части, опущенную в сосуд с жидкостью (рис 5). Нагревание или охлаждение трубки вызывало изменение высоты столбика жидкости. Это устройство, естественно, могло только фиксировать нагревание или охлаждение. Можно сказать, это была комбинация термометра с барометром, которой невозможно было измерять ни температуру, ни давление. Но сама идея была плодотворной.

Рис. 5. Термоскоп Галилея

В 1702 г. Гийом Амонтон усовершенствовал термометр Галилея: (U-образная трубка наполнялась ртутью, один конец был открыт, другой соединялся с баллоном, содержащим воздух. Это был первый газовый термометр. Температура измерялась по высоте столбика ртути.

Решающим этапом были работы немецкого физика Габриеля Фаренгейта (1686-1736). Его ртутные и спиртовые термометры имели ту форму, которую применяют и в настоящее время.

Но самым важным было введение термометрической шкалы. Она имела три фиксированные точки: 0° соответствовал температуре смеси льда, воды и нашатыря, 96° - температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту). В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров служила температура тающего льда, равная по шкале Фаренгейта 32°.

В 1730 г. Рене Реомюр (1683-1757) предложил спирт вместо ртути, так как последняя имеет малый коэффициент расширения. Он нашел, что спирт, разбавленный водой в пропорции 5:1, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания воды до кипения. В соответствии с этим он предложил шкалу от 0 до 80°.

История шкалы Цельсия такова. Еще в 1694 г. один из членов Итальянской академии опытов - так называлась вначале Итальянская академия наук - Карло Ренальдини предложил применять при градуировке термометра в качестве фиксированных точек температуру таяния льда и кипения воды. В 1742 г. астроном Цельсий (1701-1744) обратил внимание на удобство этих фиксированных точек и предложил стоградусную шкалу с точкой 0°, соответствующей кипению воды, и 100° - ее замерзанию. В 1750 г. другой немецкий астроном Мартин Штремер (1707-1770) изменил направление шкалы, и она завоевала наибольшую популярность.

В системе единиц СИ введено лишь усовершенствование нулевой точки. Следует отметить, что всего было предложено 19 термометрических шкал. В практике сохранились лишь три указанные шкалы - Фаренгейта, Реомюра и Цельсия - Штремера. Последняя постепенно становится международной.

В 1848 г. великий английский ученый Вильям Томсон указал, что предложенные температурные шкалы являются произвольными в том смысле, что отсчитываемая температура зависит от выбора тела, тепловое расширение которого служит для измерения. Томсон предложил абсолютную шкалу температур - такую шкалу, которая не зависит от физических свойств вещества термометра.

Основание для такой шкалы дает принцип Карно, согласно которому работа, производимая идеальным газом при обратимом процессе, зависит только от разности температур нагревателя и охладителя. Работа при переходе единицы количества теплоты от тела А с температурой Т градусов к телу В с температурой (T-1) градусов будет всегда одинаковой, независимо от свойств тел. Отсюда принципиальная возможность абсолютных измерений температуры.

Томсон предложил начало отсчета абсолютных температур переместить к наинизшей температуре, которую могут иметь тела - абсолютному нулю. Он впервые вычислил значение абсолютного нуля - 273 °С.

Теперь о физических представлениях о природе тепловых процессов.

В Древней Греции зародились две теоретические концепции. Согласно первой, теплота - особый вид материи, согласно второй, теплота - состояние материи. Вторая точка зрения была конкретизирована только в эпоху Возрождения. Английский философ Роджер Бэкон и немецкий астроном Иоганн Кеплер определили это состояние как состояние движения частичек тела. Это по существу атомистическое представление фигурировало в работах Ньютона и Бойля. Частички только не назывались атомами. Оно было общепризнанным в XVII и в первой половине XVIII в. Когда Парижская академия наук объявила конкурс на лучшую работу о природе теплоты, Леонард Эйлер, принимавший участие в конкурсе и получивший премию, писал: "То, что теплота заключается в некотором движении малых частиц тела, теперь уже достаточно ясно".

Однако во второй половине XVIII в. возродилась теоретическая концепция о теплоте как форме материи. В 1757 г. английский физик Джозеф Блэк (1728-1799) открыл существование "скрытой теплоты плавления и парообразования". До этого считали, что достаточно довести температуру тела до точки плавления, чтобы исчезли силы сцепления между частицами и твердое тело превратилось в жидкость. Однако Блэк показал, что для превращения льда в воду после достижения температуры 0°С нужно на каждую единицу массы льда добавить единицу массы воды при температуре около 78 °С.

Опыты с испарением воды показали, что для ее полного превращения в пар необходимо столько времени, сколько требуется для нагрева на 1°С в 445 раз большего количества воды. Отсюда родилась мысль, что при нагревании тела в него входит особая материя, которая вызывает изменение состояния тела. Эта форма материи была названа теплородом. Было принято писать равенства такого типа: лед + теплород = вода; вода+ теплород = водяной пар. Теплород, входя в тело, не обнаруживается термометром. Отсюда понятия "скрытая теплота плавления", "скрытая теплота парообразования". Можно было говорить о количестве теплорода. Идея материальности теплоты привела к понятию теплоемкости как количества теплорода, необходимого для изменения температуры тела на один градус (по выбранной шкале температур). Отсюда перешли к понятию удельной теплоемкости как теплоемкости единицы массы тела.

В 1780 г. французские ученые Антуан Лавуазье (1743- 1794) и Пьер Симон Лаплас (1749-1827) предложили прибор для измерения удельных теплоемкостей, названный ими калориметром.

Необходимо рассказать о происхождении калории. В 1750 г. петербургский физик Георг Рихман (1711-1753), работавший в содружестве с М. В. Ломоносовым, установил на опыте, что если смешать равные количества воды, имеющие различную температуру, то температура смеси будет равна среднему арифметическому температур частей. Эти опыты были повторены в 1772 г. Иоганном Вильке в Германии. Вильке ввел единицу измерения количества теплоты - калорию как количество теплоты, необходимой для изменения температуры единицы массы воды на один градус. Она сохранилась до наших дней.

Концепция теплорода конкурировала с молекулярно-кинетической теорией почти 100 лет - до середины XIX в., а понятия "количество теплоты", "теплоемкость", "калориметрия", "теплота плавления", "теплота парообразования" сохраняются до сих пор (слово "скрытая" только недавно исчезло со страниц учебников). Эти понятия приспособлены уже к молекулярно-кинетической теории.

С середины XIX в. развивается теория, которая получила название механической теории теплоты. Открытие закона сохранения энергии и успехи молекулярной теории привели к представлению о тепловых процессах как процессах передачи механического движения при столкновении молекул тел. Давление газов объяснялось как передача количества движения частицами газа стенкам сосуда. Температуру начали связывать с интенсивностью движения частиц. Молекулы рассматривались как частицы, движение которых подчиняется законам классической механики. Отсюда терминология "механическая теория тепла".

Одновременно развиваются статистические представления. Больцман находит точную связь между средней энергией теплового движения частиц и температурой, вводя новую мировую константу, названную его именем.

Развитие статистической теории привело к представлению о тепловом движении как особой форме движения материи, которая не может быть сведена к механической. В природе действуют специфические статистические закономерности, которые имеют точные математические выражения, например распределения Максвелла, Больцмана, Ферми и т. д.

Развитие квантовой механики привело к уточнению наших представлений о взаимодействиях частиц при тепловом движении.

Методическое замечание. Чтобы обеспечить точность рассматриваемых в этом разделе физических понятий, следует подчеркивать исторические связи. Понятия количества теплоты, теплоемкости и т. д. неразрывно связаны с гипотезой теплорода. Нужно разъяснить, что гипотеза эта оставлена наукой, и мы вкладываем в традиционные понятия новый смысл. Поэтому, говоря о количестве теплоты, мы имеем в виду не количество чего-то материального, а количество энергии определенной формы. Эта специфическая форма энергии - энергия коллектива хаотически движущихся частиц. При нагревании она переходит от тела к телу или распространяется внутри тела, тогда мы говорим о теплопроводности. Солнечное тепло - это трансформированная в энергию теплового движения энергия электромагнитного излучения и т. д.