Учение о теплоте

XVIII в.- век подлинного начала науки о теплоте, ее оформления как особой главы естествознания. Прежде всего XVIII в. является веком возникновения термометрии. Хотя Галилей, Дреббель, флорентийские академики и Герике построили уже в XVII в. первые термометры, однако последние еще не были пригодны для получения сравнимых количественных результатов. Различные термометрические тела в различных термометрах, отсутствие фиксированных точек, произвольная градуировка делали эти термометры пригодными только для относительных оценок колебаний температуры в данном месте.

С теоретической точки зрения интересную конструкцию газового термометра предложил в 1703 г. парижский академик Амонтон (1663-1705). Это был термометр постоянного объема, изменение температуры определялось изменением высоты уровня жидкости в манометрической трубке. Но термометр Амонтона не был удобен для практических целей, и данцигский стекольных дел мастер Фаренгейт (1686-1736) предложил в 1714 г. вернуться к термометру с жидкостью. Он нанес на этом термометре три фиксированные точки: точку замерзания охлаждающей смеси (0°), точку плавления льда (4°) и температуру человеческого тела (12°). Вероятно, в этом выборе он следовал примеру Ньютона, построившего термометр с льняным маслом и точками ,0° и 12° (плавление льда и температура человеческого тела). Фаренгейт, снижая нулевую точку, стремился избежать отрицательных температур, однако градусы его шкалы были очень велики, их пришлось подразделить дальше, дойдя до делений в 8 раз меньших первоначальных. Позднее Фаренгейт ввел в качестве верхней фиксированной точки точку кипения воды (212°). В качестве термометрической жидкости Фаренгейт использовал сначала спирт, затем ртуть.

Французский ученый-зоолог и металлург Реомюр (1683-1757) предложил термометр с постоянной нулевой точкой замерзания воды, градус которого, по его измерениям, должен соответствовать увеличению объема 80-процентного раствора спирта на ¹/₁₀₀₀ первоначального объема. Позже он перенес эту шкалу на ртутные термометры, в которых точка кипения воды была принята за 80°.

Опыты по проверке постоянства основной точки термометра Реомюра проводил шведский астроном Цельсий (1701-1744), описавший их в 1742 г. в статье, в которой он предложил свой метод градуировки шкалы. "Эти опыты,- писал Цельсий,- я повторял два года, во все зимние месяцы, при различной погоде и разнообразных изменениях состояния барометра и всегда находил точно такую же точку на термометре. Я помещал термометр не только в тающий лед, но также при сильных холодах приносил снег в мою комнату на огонь, до тех пор пока он не начинал таять. Я помещал также котел с тающим снегом вместе с термометром в топящуюся печь и всегда находил, что термометр показывал одну и ту же точку, если только снег лежал плотно вокруг шарика термометра. Кроме того, чтобы не оставалось никакого сомнения в том, что тающий снег во всех местах обладает одинаковым градусом теплоты, я заметил в Торнео, в 6 градусах ближе к полюсу, чем Упсала, с тем же термометром, что и у Реомюра, точно точку, которая лежала на ¹/₅ градуса выше отмеченной им точки. Отсюда следовало, что в Париже, который лежит к экватору на 17 градусов ближе, чем Торнео, вода замерзает при том же градусе. Малую разницу в ¹/₅ градуса можно приписать способу нахождения Реомюром точки замерзания".

Цельсий установил далее, что точка кипения воды зависит от давления, и принял в качестве второй фиксированной точки точку кипения воды при давлении 25 дюймов 3 линии. Он разделил расстояние между двумя точками на 100 частей, приняв точку плавления льда за 100°, точку кипения воды за 0°. Известный шведский натуралист Карл Линней уже пользовался "перевернутой" шкалой. Эту шкалу ныне и называют шкалой Цельсия. Петербургский академик Делиль пользовался 150-градусной шкалой, приняв точку плавления льда за 150°. М. В. Ломоносов пользовался собственным термометром.

В первоначальных термометрических работах еще не было установлено различия между количеством теплоты и температурой, вместо этого последнего термина употреблялся термин "градус теплоты". Различие между температурой и теплотой впервые отчетливо было проведено И. Г. Ламбертом в 1755 г., однако для окончательного утверждения понятий температуры и количества теплоты в физике понадобилась большая предварительная работа по калориметрии. Этим работам было положено начало в Петербургской Академии наук. В 1744 г. академик Крафт математическим путем вывел формулу для охлаждения температуры смеси двух однородных жидкостей. Из опытов по смешению теплой и холодной воды он установил численные значения входящих в формулу постоянных и привел ее к виду:

Георг Вильгельм Рихман

Здесь m - температура холодной жидкости, а - ее масса, n и b - соответственно температура и масса теплой жидкости. В 1748 г. академик Г. В. Рихман (1711-1753) исследовал формулу Крафта, нашел, что формула Крафта неточна и должна быть заменена формулой

при тех же значениях переменных. Не ограничившись случаем смешения двух жидкостей, Рихман обобщил ее на случай какого угодно числа смешиваемых жидкостей однородного состава:

Своими исследованиями Рихман установил:

"
1. Теплота смеси распределяется не только по самой ее массе, но и по стенкам сосуда и самому термометметру.
2. Собственная теплота термометра и теплота сосуда распределяются и по смеси и по стенкам сосуда, в котором находится смесь, и по термометру.
3. Часть теплоты смеси, в течение того промежутка времени, пока производится опыт, переходит в окружающий воздух..."^*

^* (Г. В. Рихман, Труды по физике, Изд. АН СССР, 1956, стр. 13-14.)

Таким образом, Рихман совершенно ясно представляет обстановку калориметрических опытов и в неявном виде рассматривает теплоту как неуничтожаемую субстанцию, перераспределяющуюся между участвующими в теплообмене телами.

Опираясь на работы Рихмана, Вильке и Блэк открыли скрытую теплоту плавления льда. Блэк (1728-1799) и его ученик Ирвин произвели первые экспериментальные определения теплоемкостей тел. Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794) и Лаплас продолжили эти определения со сконструированным ими ледяным калориметром. Калориметрические определения способствовали закреплению в науке концепции теплорода. Эта концепция встретила мощного противника в лице гениального Ломоносова.

Михаил Васильевич Ломоносов

М. В. Ломоносов (1711-1765) олицетворял наиболее прогрессивные идеи естествознания своего времени. Он вторгался своей мощной мыслью во все отрасли науки, оставив повсюду неизгладимый след своего гения. Широта его кругозора, разнообразие его интересов поражали современников и потомков. Помимо чисто научных задач, ему приходилось решать задачи, связанные с развитием просвещения в России, выполнять многочисленные служебные поручения от составления стихотворных надписей до управления географическим департаментом, он учредил первый университет в России. Это, естественно, не могло не отразиться на его научной продукции, которая в значительной степени состоит из неоконченных заметок, журналов с опытами, проектов, курсов и т. д. Он сам видел, что его задача - задача зачинателя наук в своем отечестве - "показать приступ". Эту задачу он выполнил с большим успехом, хотя обилие незавершенных замыслов заставляет глубоко сожалеть о том, чтобы мог дать науке Ломоносов при других условиях его работы.

Наиболее характерной чертой научного творчества Ломоносова является его стремление к ясной физической интерпретации наблюдаемых фактов. Он не может удовлетвориться гипотетическими "невесомыми", "дальнодействующими силами", входившими в большом количестве в арсенал физического описания у его современников. Ломоносов справедливо усматривал во всех этих теплотворных и светотворных материях "потаенные качества" перипатетиков, а в дальнодействующих силах - "волшебство".

В противовес гипотезе "первого толчка" ньютонианцев он выдвигает идею вечности движения и широко использует в своей физической системе "всеобщий закон" сохранения материи и движения. Ломоносов отчетливо понимает, что общие законы сохранения обеспечивают научный подход к изучению явлений окружающего мира, отражают господствующую за видимым хаосом явлений объективную закономерность, проявляющуюся в этих явлениях. В его научной системе нет места нематериальным причинам и произволу, все может быть познано с помощью картины движущихся атомов, подчиняющихся в своем движении законам сохранения. Блестящим примером применения этой основной физической и философской идеи являются классические работы Ломоносова "Размышления о причинах тепла и холода" и "Размышления об упругой силе воздуха".

В этих работах Ломоносов выступает против "теплотворной особливой материи" и выдвигает свою концепцию теплоты, согласно которой теплота - это вращательное движение "нечувствительных частичек". Чем выше температура тела, тем быстрее вращаются частички. Механизм теплопроводности, по Ломоносову, состоит в передаче движения более быстро движущимися частичками медленно движущимся. Изменение агрегатного состояния тел обусловлено изменением их состояния движения. Существует наибольшая степень холода, при которой прекращается движение частичек, однако практически она недостижима.

В "Размышлениях о причине упругой силы воздуха" Ломоносов ставит перед собой задачу объяснить, исходя из гипотезы молекулярного движения, упругость воздуха. Эту задачу решал до Ломоносова Д. Бернулли в своей "Гидродинамике". Бернулли правильно представил упругость воздуха как результат упругих соударений движущихся частиц о стенки сосуда и, исходя из этой модели, вывел закон Бойля - Мариотта. Однако Бернулли переносил свойство упругости на сами молекулы, представляя их упругими шариками, и не рассматривал механизма взаимодействия самих молекул. Ломоносов считает упругость газа свойством коллектива молекул, к самим молекулам понятие упругости не применимо, они обладают величиной, формой и движением. Упругость обусловлена взаимодействием движущихся частичек, а именно взаимодействием их вращательных моментов. Так как эти последние определяются тепловым состоянием, то, по Ломоносову, "взаимодействие атомов обусловлено только теплотою". Эта важная и глубокая идея Ломоносова заставляет его считать подлинным основателем кинетической теории материи. Исходя из этой идеи, он вывел закон Бойля - Мариотта и объяснил возможные отклонения от него при сильных сжатиях.

Леонард Эйлер

Эти замечательные идеи Ломоносова высоко оценил его знаменитый современник Леонард Эйлер (1707-1783). Научная система Эйлера отличается от ломоносовской тем, что у него в основе лежит представление о континууме, тогда как у Ломоносова основным элементом физической картины является частица. Но и Эйлер использует образы атомистики, и у Ломоносова "мир полон материи". В частности, ответственным за лучистую теплоту у Ломоносова является эфир, вращательным движением частиц которого передается теплота лучами света.

Несмотря на поддержку Эйлера, теория Ломоносова не встретила признания у современников. Зарубежные авторы подвергли ее критике и предпочли ей теорию теплорода. Более сочувственное отношение она встретила у соотечественников Ломоносова - Г. В. Рихмана и изобретателя тепловой машины И. И. Ползунова. Гениальные идеи Ломоносова восторжествовали в XIX в., но имя их автора на Западе оставалось забытым до нашего времени.