Горяев М.А.
Учениео теплоте зародилось в 18 веке. До этого времени понятие температуры и теплотыпрактически не различались. Работами ученых 18 века было начато количественноеисследование тепловых явлений. В разработку шкал для измерения температурыосновной вклад внесли немецко-голландский физик Габриэль Даниэль Фаренгейт(1686-1736), французский ученый Рене Антуан Фершо де Реомюр (1683-1757) ишведский ученый Андерс Цельсий (1701-1744). Голландский физик Питер ванМушенбрек (1692-1761) провел первые исследования теплового расширения твердыхтел и использовал расширение железного бруска для измерения температурыплавления ряда металлов.
Количественныеисследования смешивания воды разных температур, проведенные российским физикомГеоргом Вильгельмом Рихманом (1711-1753), изучение шотландским ученым ДжозефомБлэком (1728-1799) процессов плавления и испарения и другие работы в областитепловых явлений привели к разделению понятий теплоты и температуры. Быливведены единицы измерения количества тепла (калория), понятия теплоемкости,теплот плавления и парообразования. Для объяснения природы теплотыиспользовались две теории: по одной теплота связывалась с движением частиц, апо другой рассматривалась специальная материя — теплород. Следует отметитьработы в этом направлении Ломоносова, который был ярым противником теориитеплорода.
ЛомоносовМихаил Васильевич (19.11.1711-15.04.1765) – русский ученый-энциклопедист.Родился в с. Денисовка Архангельской губернии в семье крестьянина. В 1731-35учился в Славяно-греко-латинской академии в Москве, в 1735-36 – в университетепри Петербургской АН, в 1736-41 – за границей в Марбурге и Фрейберге. С 1742 –адьюнкт, с 1745 – академик Петербургской АН.
Работыв области физики, химии, астрономии, горного дела, металлургии и др.Экспериментально доказал (1756) закон сохранения вещества, который былокончательно подтвержден А.Лавуазье в 1774. Представлял природу как единоецелое, где все взаимосвязано и не исчезает бесследно (закон сохранения материии движения Ломоносова). Был основоположником внедрения физических методов вхимию, разработал конструкции различных приборов (около 100). Был непримиримымпротивником невесомых (флюидов), является одним из основоположниковмолекулярно-кинетической теории теплоты. Нагревание связывал с возрастаниемпоступательного и вращательного движения, что изложил в работе “Размышления опричине теплоты и холода” (1747-48). Вместе с Г.В.Рихманом проводилисследования по электричеству, используя для этого изобретенный Рихманом“электрический указатель” – прообраз электрометра. Разработал теориюатмосферного электричества. Сконструировал телескоп-рефлектор (ночезрительная труба),с помощью которой в 1761 наблюдал прохождение Венеры по диску Солнца и открылна ней атмосферу.
Великвклад Ломоносова в развитие науки, культуры и образования, он заложил основыестествознания в России. В 1755 по его инициативе и проекту был открыт Московскийуниверситет, носящий теперь его имя. АН СССР учредила Золотую медаль им.М.В.Ломоносова.
Ломоносовзаложил основы молекулярно-кинетической теории, правда, представляя молекулы ввиде вращающихся шариков, т.к. упругих столкновений между ними быть по егопредставлениям не могло. Но преимущество в 18 веке в соответствии сраспространенной общей научной методологией того времени, широко использовавшейпредставления о различных флюидах, отдавалось теории теплорода, как болеенаглядной и допускающей простые аналогии, а несостоятельность ее была показанапозднее.
В19 веке развивалось учение о теплоте, и были сформулированы основные положениятермодинамики и молекулярно-кинетической теории. В конце 18 — начале 19 векапроводилось много исследований теплового расширения тел. Особое вниманиеобращалось на его равномерность и был установлен ряд аномалий для твердых ижидких тел: анизотропия расширения кристаллов, максимум плотности воды при 4 С,сжатие иодистого серебра при нагреве от -10 до 70 С и др. Для тепловогорасширения воздуха Вольтой в 1793 г. была установлена равномерность расширения,а в 1802 г. французский физик и химик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850) сформулировална основе собственных экспериментов и исследований своего соотечественника ЖакаШарля (1746-1823) закон о том, что все газы расширяются равномерно и одинаково,и рассчитал коэффициент расширения. В том же 1802 г. Дальтон сформулировал свойзакон о парциальных давлениях.
ДальтонДжон (06.09.1766–27.07.1844) – английский химик и физик, член Лондонскогокоролевского общества (1822), Парижской АН. Родился в Иглсфилде в бедной семье.Образование получил самостоятельно. Был учителем математики в Манчестере, с1799 читал частные лекции.
Физическиеисследования в области молекулярной физики: адиабатическое сжатие и расширение,насыщенный и перегретый пар, зависимость растворения газов от их парциальногодавления.
Одиниз основоположников атомистических представлений в химии, открыл закон кратныхотношений, ввел понятие атомного веса и составил первую таблицу атомных весовэлементов. В 1794 г. провел физиологические исследования, открыл слепоту котдельным цветам (дальтонизм).
Многочисленныеработы привели к заключению о различии теплоемкостей воздуха при постоянномобъеме и постоянном давлении. На это различие обратил внимание Лаплас и в 1816г. он объяснил несоответствие экспериментального значения скорости звука ввоздухе получаемому из теории Ньютона изменением температуры при чередующихсясжатиях и разрежениях воздуха.
ЛапласПьер Симон (28.03.1749-05.03.1827) — французский астроном, физик и математик,член Парижской (1785) и Петербургской АН (1802). Родился в Бомон-ан-Оже. Училсяв школе бенедектинцев. С 1771 — профессор Военной школы в Париже, с 1790 — председатель Палаты мер и весов.
Основныеработы в области небесной механики подытожены в пятитомнике «Трактат онебесной механике» (1798-1825). Сделал почти все, чего не могли сделатьего предшественники для объяснения движения тел Солнечной системы на основезакона всемирного тяготения. Предложил гипотезу происхождения Солнечной системы(1796). В небесной механике видел образец окончательной формы научногопознания. Лаплассовский детерминизм стал нарицательной обозначениеммеханистической методологии классической физики.
Физическиеисследования относятся к молекулярной физике, теплоте, акустике, электричеству,оптике. В 1821 установил закон изменения плотности воздуха с высотой(барометрическая формула). В 1806-07 разработал теорию капиллярности, вывелформулу для скорости звука в газах с поправкой на адиабатичность. Активновыступал против теории флогистона, вместе с А.Лаувазье впервые применил дляизмерения линейного расширения тел зрительную трубу, при помощисконструированного им ледяного калориметра определил удельные теплоемкостимногих веществ (1783).
Вматематике известен “оператором Лапласа”, “преобразованием Лапласа”,“интегралом Лапласа”, “теоремой Лапласа”, является одним из создателей теориивероятностей. Как председатель Палаты мер и весов активно внедрял в жизньметрическую систему мер. Активно участвовал в реорганизации высшего образованияво Франции, в частности в создании Нормальной и Политехнической школ.Участвовал в политической жизни, при всяком перевороте поддерживая победителей.Активный член Якобинского клуба, при Наполеоне был министром внутренних дел,членом сената, получил титул графа. В 1814 проголосовал за низложениеНаполеона, при реставрации Бурбонов получил пэрство и титул маркиза.
Лапласввел в формулу Ньютона поправку, соответствующую отношению теплоемкостей припостоянном давлении и объеме, что устранило несоответствие и послужило основойдля экспериментального метода определения этого отношения для всех газов.
Одновременнов основном усилиями химиков развивалась атомистика. Один из создателей ее основДальтон в 1803 г. сформулировал закон кратных отношений и в 1808 г. онопубликовал труд «Новая система химической философии», в которомизложил атомистическую теорию. По этой теории соединения состоят из атомов (поДемокриту) элементов, которые различаются по атомному весу. Шведский химик ИенсЯкоб Берцелиус (1779-1848) внес большой вклад в атомистическую теорию и в 1826г. опубликовал таблицу атомных весов, которые в основном совпадают с принятымив настоящее время. Он также предложил химические символы элементов по первымбуквам их латинского названия.
Наоснове атомных весов с учетом химических свойств элементов Менделеев сделалсамое гениальное открытие в химии 19 века — периодический закон и составилпериодическую таблицу химических элементов.
МенделеевДмитрий Иванович (08.02.1834—2.02.1907) – русский ученый, член-корреспондентПетербургской АН (1876), член многих иностранных академий наук и обществ, в егочесть назван 101 химический элемент — менделевий. Родился в Тобольске в семьедиректора гимназии. Окончил Главный педагогический институт в Петербурге(1855). В 1857-90 преподавал в Петербургском университете (с 1865 – профессор).В 1890 покинул университет из-за конфликта с министром просвещения. С 1892 –ученый-хранитель Депо образцовых гирь и весов, которое по его инициативе в 1893реорганизовано в Главную палату мер и весов, ее управляющий в 1893-1907.
Основныеработы в области химии, а также физики, метрологии, метеорологии и др. Открыл в1869 один из фундаментальных законов природы – периодический закон химическихэлементов и на его основе создал периодическую таблицу. Исправил значенияатомных весов многих элементов, предсказал существование и свойства новых, ещене открытых элементов (галлий, германий, скандий) и вычислил приблизительно ихатомные веса. Последующие открытия блестяще подтвердили эти предсказания ипериодический закон. Предсказал существование критической температуры (1860),обобщив уравнение Клайперона, вывел в 1874 общее уравнение состояния идеальногогаза (уравнение Клайперона-Менделеева). В 1887 осуществил беспилотный полетвоздушного шара для наблюдения солнечного затмения и изучения верхних слоеватмосферы. Разработал физическую теорию весов, конструкцию коромысла иарретира, точные приемы взвешивания. В 1888 выдвинул идею подземной газификацииугля.
АНСССР учредила премию и золотую медаль Менделеева за лучшие работы по химии.
В1808 г. Гей-Люссак экспериментально открыл закон объемных отношений, покоторому образующие соединение газы занимают объемы в отношении кратных целыхчисел. Интерпретация этого закона в ряде случаев противоречила данным Дальтона,что вызвало резкие выступления последнего. Но в 1811 г. итальянский химикАмедео Авагадро (1776-1856) сформулировал свой закон о том, что при одинаковыхвнешних условиях (температура и давление) в равных объемах газов содержитсяравное число частиц. При этом допускалось, что молекула газа может состоять изнескольких атомов, что разрешало противоречие между результатами Гей-Люссака иДальтона.
Успехиучения об атомно-молекулярном строении вещества, в особенности, газов,безусловно, оказало влияние на становление термодинамики и молекулярной физикии способствовало развитию механической теории теплоты.
Вовторой половине 18 века господствовала теория теплорода, но уже в начале 19века она стала уступать свои позиции механической теории теплоты. Этому внемалой степени способствовали начатые еще в 1765 г. Уаттом методическиеэкспериментальные изучения паровой машины, которые затем были продолженышироким кругом исследователей.
УаттДжеймс (19.01.1736 – 19.08.1819) – шотландский изобретатель, член Эдинбургского(1784) и Лондонского (1785) королевских обществ, Парижской АН (1814). Родился вГриноке. С 1756 г. работал механиком в университете в Глазго.
Исследовалсвойства водяного пара. При детальном изучении паровой машины Ньюкомена ввелмного усовершенствований: конденсатор, центробежный регулятор ввода пара,золотник, паровую рубашку вокруг цилиндра, механизм передачи движения от поршняк балансиру и др. В 1784 г. создал универсальный паровой двигатель снепрерывным вращением с высокой эффективностью, получивший широкоераспространение и сыгравший большую роль в промышленной революции 19 века. Ввелпервую единицу мощности – лошадиную силу. Сконструировал ряд приборов: ртутныйманометр и вакуумметр, водомерное стекло, индикатор давления. Изобрелиндикаторные чернила, установил состав воды.
Егоименем названа единица мощности — ватт.
Именнов итоге работ по решению практической проблемы увеличения эффективности паровоймашины Карно сформулировал основные положения термодинамики об эквивалентностиработы и теплоты (1 начало) и о необходимости холодильника в тепловой машине.
КарноНикола Леонард Сади (01.04.1796 – 24.08.1832) – французский физик и инженер.Родился в Париже в семье выдающегося военачальника, политического деятеля иученого Л.Карно. Окончил Политехническую школу (1814). В 1814-19 и 1826-27 – навоенной службе в качестве инженера.
Являетсяодним из создателей термодинамики. В 1824 в сочинении “Размышления о движущейсиле огня и о машинах, способных развить эту силу”, исходя из невозможностисоздания вечного двигателя, впервые показал, что полезную работу можно получитьтолько при переходе тепла от нагретого тела к более холодному (2 началотермодинамики). Только разность температур нагревателя и холодильникаобусловливает отдачу тепловой машины, а природа рабочего тела не играет никакойроли (теорема Карно). Ввел понятия кругового и обратимого процессов, показалпреимущества применения в паровых машинах пара высокого давления и егомногократного расширения, сформулировал принцип работы газовых тепловых машин.
Ноидеи Карно поначалу остались почти незамеченными, что объясняется, преждевсего, их новизной. И лишь в 1834 г. французский физик и инженер Бенуа ПольЭмиль Клайперон (1799-1864) обратил внимание на эти работы, заменилпервоначальный цикл Карно циклом из двух изотерм и двух адиабат и ввелуравнение состояния газа, объединившее законы Бойля и Гей-Люссака.
Окончательноже идею об эквивалентности работы и теплоты в 1842-43 г.г. сформулировали немецкийврач Юлиус Роберт Майер (1814-1878) и Джоуль, которые также численно определилимеханический эквивалент теплоты.
ДжоульДжеймс Прескотт (24.12.1818–11.10.1889) – английский физик, член Лондонскогокоролевского общества (1850). Родился в Солфорде в семье владельцапивоваренного завода. Получил домашнее образование. Первые уроки по физике емудавал Дальтон, под влиянием которого были начаты экспериментальныеисследования.
Работыв области электромагнетизма, теплоты, кинетической теории газов. Установил в1841 зависимость выделяемого тепла от величины проходящего тока и сопротивленияпроводника (закон Джоуля-Ленца). Исследовал тепловые явления при сжатии ирасширении газов, показал, что внутренняя энергия идеального газа не зависит отего объема. Совместно с У.Томсоном в 1853-54 открыл явление охлаждения газа приего адиабатическом протекании через пористую перегородку (эффектДжоуля-Томсона). Построил термодинамическую температурную шкалу, теоретическиопределил теплоемкость ряда газов. Вычислил скорость движения молекул газа иустановил ее зависимость от температуры, давление считал результатом ударовчастиц газа о стенки сосуда. Открыл явление магнитного насыщения (1840) имагнитострикции (1842).
Егоименем названа единица энергии — джоуль.
В1847 г. Гельмгольц вводит понятие энергии, которая не уничтожается, а лишьпереходит из одной формы в другую, т.е. сформулировал закон сохранения энергииво всех физических явлениях.
ГельмгольцГерман Людвиг Фердинанд (31.08.1821 – 08.09.1894) – немецкий естествоиспытатель,член Берлинской (1871), Петербургской (1868) и других академий наук и научныхобществ. Медаль Копли (1873). Родился в Потсдаме в семье преподавателягимназии. Учился в Военно-медицинском институте и университете в Берлине. В1842 г. получил степень доктора по физиологии. В 1849-55 – профессор физиологииКёнигсбергского, в 1858-71 – Гейдельбергского университетов, в 1871-88 –профессор физики Берлинского университета и с 1888 – президентФизико-технического института (Берлин-Шарлоттенбург).
Физическиеисследования в областях электродинамики, оптики, теплоты, акустики,гидродинамики. Разработал термодинамическую теорию химических процессов, введяпонятия свободной и связанной энергии. Показал колебательный характерэлектрических процессов в контуре из индуктивности и конденсатора, развилтеорию электродинамических процессов в проводящих неправильных телах, теориюаномальной дисперсии света.
Существенныеуспехи в физиологической акустике и физиологии зрения, разработалколичественные методы физиологических исследований, впервые измерил скоростьраспространения нервного возбуждения.
Заложилосновы теории вихревого движения в гидродинамике и теории разрывных движений ваэродинамике. Разработанный Гельмгольцем принцип механического подобия объяснилряд метеорологических явлений и механизм образования морских волн.
ВзглядыГельмгольца стали основой энергетической школы, для которой в отличие отмеханистической концепции мира с понятиями материя и сила энергия — единственная физическая реальность, а материя — лишь кажущийся ее носитель.
Основателеммеханической теории теплоты был Клаузиус, начавший в 1850 г. исследованияпринципа эквивалентности теплоты и работы и закона сохранения энергии.
КлаузиусРудольф Юлиус Эммануэль (02.01.1822–24.08.1888) – немецкий физик,член-корреспондент Берлинской АН (1876), член Петербургской (1878) и другихакадемий наук и научных обществ. Родился в Кеслине в семье пастора. ОкончилБерлинский университет, степень доктора (1847). Преподавал в Королевскойартиллерийской технической школе в Берлине. С 1855 преподавал в Цюрихскомполитехникуме, с 1867 – профессор Вюрцбергского и с 1869 – Боннскогоуниверситетов.
Работыв области молекулярной физики, термодинамики, теоретической механики.Математической физики. В 1850 независимо от У.Ранкина получил общее соотношениемежду теплотой и работой (1 начало термодинамики) и разработал идеальныйтермодинамический цикл паровой машины (цикл Ранкина-Клаузиуса). Далматематическое выражение 2 начала как в случае обратимых круговых процессов, таки необратимых, показал, что изменение энтропии определяет направлениепротекания процесса. Ввел в кинетическую теорию газов статистическиепредставления, понятие о сфере действия молекул, первый теоретически вычислилдавление газа на стенки сосуда. Доказал в 1870 теорему вириала, связывающуюсреднюю кинетическую энергию системы частиц с действующими на нее силами.Обосновал связь температуры плавления вещества с давлением (уравнениеКлайперона-Клаузиуса).
Теоретическиобосновал закон Джоуля-Ленца, развил теорию термоэлектричества, ввелпредставление об электролитической диссоциации. Разработал теорию поляризации инезависимо от О.Моссотти вывел соотношение между диэлектрической проницаемостьюи поляризуемостью диэлектрика (формула Клаузиуса-Моссотти).
Клаузиусввел понятие внутренняя энергия и придал 1 началу точную математическую форму,а также переформулировал 2 начало термодинамики: невозможен самопроизвольныйпереход тепла от более холодного к более нагретому телу. В 1865 г. он ввелновую величину — энтропию, сыгравшую фундаментальную роль в термодинамике. Этавеличина постоянна в идеальных обратимых процессах и возрастает для реальныхпроцессов.
Реализациясвязи между механическими процессами и тепловыми явлениями была осуществлена вкинетической теории газов. Гельмгольц в 1847 г. первым выдвинул гипотезу о том,что внутренняя причина взаимопревращения механической работы и теплоты лежит всведении тепловых явлений к явлениям механического движения. Этот путь былнайден в 1856 г. немецким физиком Августом Карлом Кренингом (1822-1879), агодом позже Клаузиусом, которые построили кинетическую теорию. Было полученоуравнение состояния с учетом средней кинетической энергии молекул и введенасвязь ее с температурой. Кинетической теории удалось объяснить многие явления:диффузию, растворение, теплопроводность и др. Учет взаимодействия междумолекулами и конечности их размеров позволил голландскому физику ИоганнесуДидерику Ван дер Ваальсу (1837-1923) в 1873 г. ввести поправки в уравнениеидеального газа и описать поведение реальных газов.
Формулировка2 начала термодинамики не соответствовала традиционным механическимпредставлениям, где все процессы обратимы. Кинетическая теория делает этонесоответствие противоречием. Эти трудности были преодолены Максвеллом и Больцманом,которые ввели понятие вероятности физических явлений и поставили на местодинамических законов в механике статистические законы в термодинамике.
МаксвеллДжеймс Клерк (13.06.1831–05.11.1879) – английский физик, член Эдинбургского(1855) и Лондонского (1861) королевских обществ. Родился в Эдинбурге в семьеюриста. Учился в Эдинбургском (1847-50) и Кембриджском (1850-54) университетах.По окончании последнего преподавал в Тринити колледж, в 1856-60 – профессорАбердинского университета, в 1860-65 – Лондонского королевского колледжа, с1871 – первый профессор экспериментальной физики в Кембридже. Под егоруководством создана Кавендишская лаборатория в Кембридже.
Работыв области электродинамики, молекулярной и статистической физики, оптики,механики, теории упругости. Установил статистический закон распределениямолекул газа по скоростям (распределение Максвелла), развил теорию переноса,применив ее к процессам диффузии, теплопроводности и внутреннего трения. Создалтеорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла), введя понятие токасмещения и само определение электромагнитного поля. Развил идеюэлектромагнитной природы света и раскрыл связь между оптическими иэлектромагнитными явлениями. Установил соотношения между основнымитеплофизическими параметрами, развивал теорию цветного зрения. Сконструировалряд приборов.
Впервые(1879) опубликовал рукописи работ Г.Кавендиша, был известным популяризаторомфизических знаний.
Егоименем названа единица магнитного потока — максвелл.
БольцманЛюдвиг (20.02.1844–05.09.1906) – австрийский физик, член Австрийской (1895),Петербургской (1899) и других академий наук. Родился в Вене в семье служащего.Окончил Венский университет (1866). Профессор университетов в Граце (1869-73 и1876-89), Вене (1873-76 и 1894-1900 и с 1903), Мюнхене (1889-94), Лейпциге(1900-02).
Работыв области кинетической теории газов, термодинамики и теории излучения. Вывелзакон распределения молекул газа по скоростям (статистика Больцмана). Применивстатистические методы, вывел кинетическое уравнение газов, являющееся основойфизической кинетики. Связал энтропию системы с вероятностью ее состояния идоказал статистический характер 2 начала термодинамики. Статистическаяинтерпретация 2 начала вместе с Н-теоремой Больцмана легли в основу теории необратимыхпроцессов.
Впервыеприменил принципы термодинамики к излучению и теоретически получил законтеплового излучения, который был экспериментально установлен Й.Стефаном. Изтермодинамических соображений подтвердил существование по гипотезе Д.Максвелладавления света.
Непрерывныенападки со стороны противников кинетической теории газов вызвали у Больцманаманию преследования, что, возможно, привело к самоубийству.
Второеначало термодинамики уже рассматривается не как достоверный закон природы, акак вероятный. Здесь впервые классическая физика сталкивается с дуализмомявлений природы.
Следуетсказать, что термодинамика только в самых своих истоках опиралась напредставления механической теории теплоты. По мере развития она превратилась всамостоятельный раздел физики, методология и мощный аппарат которого сталприменяться в различных областях физики и химии. Этому в немалой степениспособствовали достаточно общие представления о термодинамических потенциалах,основной вклад в развитие которых внес американский физик Джозайя Уиллард Гиббс(1839-1903). В частности, введением понятий свободная энергия и химическийпотенциал он по существу положил начало новой дисциплины — физической химии иодного из основных ее направлений — термодинамики химических реакций.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта lscore.lspace.etu.ru/