Теплота

Обратимся теперь к вопросам изучения теплоты. Здесь прежде всего надо отметить успехи термометрии.

Мы видели в первом томе, что Галилей, Дреббель, флорентийские академики, затем Герике, Бойль, Гук, Ньютон строили термометры и применяли их в экспериментах по теплоте и метеорологии. Но, во-первых, всеобщим убеждением было, что эти приборы измеряют количество тепла, и отсюда вытекала терминология, которую мы находим в сочинениях XVIII в.: "потеряло столько-то градусов тепла" или тело "приобрело столько-то градусов тепла"; во-вторых, термометры различных конструкций - не согласовывались друг с другом в показаниях, не было договорённости о принципах градуировки, не были известны законы теплового расширения. Установление постоянных точек термометра было делом XVIII в., измерения же коэффициентов расширения относятся к концу XVIII и началу XIX в.

Существует мнение, что Гук уже знал постоянство точек кипения воды и плавления льда. Известно, что Бойль в работе "Механическое начало тепла" (1665) высказывает убеждение в постоянстве точек плавления всех тел, а Ньютон принял точку плавления снега за 0°своего термометра с льняным маслом, а в качестве другой постоянной точки термометра Ньютон принял температуру человеческого тела - 12° (термометр Ньютона описан в "Phil. Trans.", 1703 г.).

Галлей в статье, напечатанной в "Phil. Trans." (1693), утверждал закон постоянства точки кипения воды, а в сочинении "Натуральная философия", вышедшем в 1694 г., Ренальдини внёс предложение принять за постоянные точки термометрической шкалы точки замерзания и кипения воды.

Наконец, Ньютон создал первый пирометр, основанный на законе охлаждения нагретого стержня. Сам закон охлаждения

был также найден им (dQ - количество тепла, теряемого за время dt единицей поверхности тела, Т - температура тела в момент t, T₀ - температура окружающей среды).

Однако наибольших результатов в развитии термометрии на рубеже XVII-XVIII вв. достиг Гильом Амонтон (1663-1705), опередивший в своих работах по расширению газов Гей-Люссака и соперничавший с Ньютоном в деле основания пирометрии. Амонтон был первым, ясно высказывавшим мнение, что термометры измеряют не количество тепла, а степень нагретости тела.

В "Парижских мемуарах" 1702 и 1703 гг. было помещено описание воздушного термометра Амонтона. Этот термометр представлял резервуар, сообщающийся с трубкой, открытой сверху. Часть резервуара и колено трубки заполнены жидкостью. Упругость воздуха, заключённого в резервуаре, измеряется высотой выступающего столба жидкости (точнее, избыток упругости над давлением атмосферы). С изменением температуры упругость меняется. Амонтону удалось установить закон, что изменения упругости пропорциональны разностям температур

Амонтон принял для термометра постоянные точки кипения воды и плавления льда. Он же предложил ввести поправку в показания барометра на тепловое расширение ртути. Правда, эта поправка в то время не имела практического значения.

В 1713 г. в журнале "Actaeruditorum" появилось сообщение Хр. Вольфа о полученных им от Фаренгейта двух спиртовых термометрах с согласными показаниями. Даниель Фаренгейт (1686-1736) работал в Голландии стеклодувом и мастером по изготовлению физических инструментов (в результате успехов опытного знания такая профессия стала возможна) и уже в 1709 г. начал изготовлять спиртовые термометры с согласными показаниями. В 1714 г., ознакомившись с исследованиями Амонтона по расширению ртути, Фаренгейт начал делать и ртутные термометры. За 0° он принял температуру плавления охлаждающей смеси (льда, воды и нашатыря). Температуру смеси и воды он обозначил через 32°, температуру человеческого тела 96°.

Рис. 142. Термометр Амонтона

Только после 1724 г., когда его способ был им опубликован в "Phil. Trans.", он нанёс точку кипения воды, приняв её за 212°. Шкала Фаренгейта с 0° и 212° как основными точками и доныне ещё применяется в Англии и Америке.

В России с 1731 г. были уже известны термометры Фаренгейта, но наибольшее распространение имели термометры академика Делиля (1688-1768), в которых температура кипения воды принималась за 0°, а температура замерзания за 150°. Ломоносов в своих термометрических работах пользовался шкалой Фаренгейта, Делиля и, гораздо более удобной, своей собственной, в которой за 0° принималась точка замерзания воды, а за 150° - точка её кипения.

В мемуарах Парижской академии за 1730-1731 гг. Реомюр (1683-1757) изложил способ градуирования спиртовых термометров по точкам кипения и замерзания воды, обозначив их соответственно 80° и 0°. Число 80 Реомюр принял потому, что его жидкость расширялась при нагревании от точки замерзания воды до точки кипения на ⁸⁰/₁₀₀₀ своего первоначального объёма.

Быстрое распространение термометров Реомюра не мешало, однако, заметить несовершенство спирта как термометрического тела, и Делюк (1727-1817) предложил около 1740 г. ртутный термометр с Реомюровой шкалой. В 1742 г. швед Цельсий (1701-1744) ввёл стоградусную шкалу, с точкой кипения 0° и точкой замерзания 100° (Делиль не был одинок в своём способе отсчёта градусов), и вскоре, по предложению Штремера, обозначение точек было переставлено.

Таким образом, в первой половине XVIII в. были сконструированы практически употребительные термометры и тем самым был сделан важнейший шаг в деле количественного изучения тепловых явлений.

Следующим шагом в этом направлении была выработка основных калориметрических понятий. В первой половине XVIII в. ещё не существовало различия между измерением температур и измерением количеств тепла. Исходным пунктом в развитии калориметрии послужили исследования Петербургского академика Рихмана, напечатанные в "Новых комментариях Петербургской академии" (т. I, 1750 г.; т. III, 1753 г.; т. IV, 1758 г.).

В известной "Задаче Рихмана" об определении температуры смеси двух различных масс воды при разных температурах он установил правило определения такой температуры, которое можно выразить формулой

Далее Делюк, экспериментируя со льдом зимой 1754-1755 гг., открыл важный факт, что температура сосуда со льдом, поставленного на огонь, повышалась только до 0° и в дальнейшем оставалась неизменной, несмотря на приток огня, до тех пор, пока лёд не обращался в воду.

Рихман

Химик Блек в Глазго (1728-1799), проверяя правило Рихмана для смеси куска льда при 32°F и воды равного веса при 172°F, нашёл среднюю температуру не 102°F, а 32°F. Отсюда Блек сделал вывод, что на плавление льда требуется теплота, не отмечаемая термометром, вследствие чего он обозначил её термином "скрытая теплота". Исследования Делюка были опубликованы им только в 1772 г., а о результатах Блека сообщил в 1778 г. Крауфорд. В это время калориметрическими измерениями занимался Вильке (1732-1796). В точности не установлено, знал ли Вильке об опытах Блека, во всяком случае он пришёл к выводу, что при смешивании равных масс воды и льда при температуре плавления теряется 72° тепла, а при неравных массах формула Рихмана должна быть заменена формулой (градусы выражаются в шкале Цельсия, m' - масса льда при 0° С). Далее Вильке исследовал, как меняется температура смеси льда и нагретого тела, если воду заменить другим телом, и отсюда мог вычислить удельные теплоты тел, приняв удельную теплоту воды за 1. Следует отметить, что термин "теплоёмкость" был введён учеником Блека Ирвиным, а термин "удельная теплота" - Гадолиным в 1784 г. Самый способ определения теплоёмкостей по методу смешения, применявшийся Бле ком и Вильке, был описан врачом Крауфордом в сочинении "Наблюдения и опыты над животной теплотой" (Лондон 1779 г.), являющемся одной из основоположных калориметрических работ.

Более точным методом в то время был метод, предложенный в 1777 г. Лавуазье и Лапласом, которые сконструировали так называемый ледяной калориметр (рис. 143). Этот калориметр состоит из внешнего сосуда А и двух внутренних В и 6, последний сделан из проволочной сетки. Внешний сосуд А заполнен толчёным льдом, во внутренний сосуд 6 помещалось испытуемое тело, нагретое до температуры t. Лёд помещался также на крышках внутренних сосудов. Через отверстие r, сделанное внизу, вода, образовавшаяся от таяния льда, стекала в подставленный сосуд. Определив её вес, можно было определить теплоёмкость тела.

Ясно, конечно, что и этот способ был ещё слишком груб, калориметрическая техника только зарождалась, но уже сделанные шаги имели существенное значение. Для того времени калориметрические измерения являлись экспериментальной поддержкой выдвинутой Вольфом, и в особенности Вильке и Влеком, теории теплорода. Электричество.