Теплородная и кинетическая теория теплоты

До середины 19-го в. понятия «теплоты» и «температуры» не разделялись. Так, в словаре церковно-славянского русского языка, середина 19 в. можно прочитать следующее: «Температура есть мера сгущения теплорода, показываемая в градусах термометром». и «Теплород – вещественная причина жара, тепла и холода, непостижимо тонкая жидкость, изливающаяся из Солнца и проникающая во все тела физического мира, невидимая, невесомая и только ощущением ощущаемая». Само слово теплород в русском языке является переводом-«калькой» латинского слова «калория».

Серьезный (но не окончательный) удар теории теплорода был нанесен опытами графа Б. Румфорда (Бенджамин Томпсон)

А. Эйнштейн и Л. Инфельд писали: «В истории физики часто встречаются такие испытания, которые способны произвести приговор о жизни или смерти теории: они называются crucis (решающими) экспериментами... Такой решающий эксперимент был проведен Румфордом; он нанес смертельный удар субстанциальной теории теплоты». Исследования Румфорда касались вопроса об эквиваленте теплоты и механической работы.

Опыты Румфорда. Румфорд проводил опыты с трением. Теплородная теория объясняла выделение теплоты при трении тел друг о друга тем, что при трении тела как бы «выжимают» из себя теплород, вследствие чего количества теплорода в них (теплоемкость) должны изменяться.

В своей известной работе «Исследование источника тепла, вызываемого трением» (1798 г.) Румфорд привел результаты эксперимента, связанного со сверлением пушечного ствола. В течение 2,5 часов за счет трения было получено количество теплоты, достаточной для превращения в пар 12 кг воды при получении всего лишь 270 г. металлической стружки. Далее было показано, что стружка имеет такую же удельную теплоемкость как исходный материал отливки, т.е. о никакой «выжимке» не могло быть речи, и теплота не могла быть получена за счет «выжимания» теплорода из металла. «... источник теплоты, порожденный трением, - писал Б. Румфорд, - оказался в этих экспериментах неисчерпаемым». Следовательно, нечто, которое любое изолированное тело или система тел может поставлять без ограничения не может быть материальной субстанцией.

Тем не менее, несмотря на опыты Румфорда теплородная теория не была изжита. Для окончательной победы кинетической теории потребовались исследования обратных процессов – превращения теплоты в работу. Такими исследованиями стали работы по исследованию функционирования тепловых машин, получивших к началу 19 в. широкое распространение. К этому времени встала задача о повышении их эффективности, для чего был необходим теоретический анализ процесса превращения теплоты в работу. Это и сделал Сади Карно в 1827 г. Тогда было уже совершенно ясно, что теплота и механическая работа обратимы одна в другую. Для торжества кинетической теории важно было установить механический эквивалент теплоты.

Количественное соотношение для превращения «механическая работа ® теплота» было определено немецким врачом Робертом Майером. Он установил, что теплоемкости газа в процессах при постоянном давлении (С_р) и при постоянном объеме (С_v) неодинаковы, причем С_р>С_v . Действительно, при р=const изменение объема V газа сопровождается толканием поршня, т.е. совершением работы. Если рассматривать теплоту как “силу”, рассуждал Майер (а под “силой” он понимал то, что впоследствии стало называться энергией), то понятно, почему С_р>С_v. Причем если найти DС = С_р - С_v и сопоставить с работой А, можно получить механический эквивалент теплоты.

Достаточно точно значение механического эквивалента теплоты было определено Джоулем. Джоуль поставил опыт, в котором опускающийся груз вращал лопатку, помещенную в различные жидкости. Перемешивание жидкости приводило к ее нагреванию. Сопоставляя значение механической работы опускающегося груза с количеством теплоты, необходимым для нагревания жидкости на определенную температуру, Джоуль определил значение механического эквивалента теплоты.

18. Открытие закона сохранения и превращения энергии.

В 1841 г. русский ученый Ленц и англичанин Джоуль почти одновременно и независимо друг от друга экспериментально доказали, что теплота может быть создана за счет механической работы. Джоуль определил механический эквивалент тепла. Эти и другие исследования подготовили открытие закона сохранения и превращения энергии. В 1842—1845 г. немецкий ученый Р. Майер сформулировал этот закон на основе обобщения данных естествознания о механическом движении, электричестве, магнетизме, химии и даже физиологии человека. Одновременно в Англии (Гров) и в Дании (Кольдинг) были высказаны аналогичные идеи. Несколько позднее этот закон разрабатывал Гельмгольц (Германия).

Новое, внесенное физикой в середине XIX в., учение о сохранении движения состояло в том, что на огромном количестве фактов была доказана качественная превращаемость форм движения материи, например механической в тепловую, электрическую, и наоборот. Энгельс особенно подчеркивает факт взаимопревращаемости форм движения материи, так как почти до 80-х годов XIX в. физики видели в законе сохранения и превращения энергии лишь количественную сторону, т.е. сохранение энергии, но не замечали главного — превращения форм энергии. В частности, в работах Гельмгольца и его последователей давалось одностороннее, чисто механическое толкование этого закона, обращалось главное внимание на количественное постоянство движения, на момент сохранения энергии, и игнорировалось взаимопревращение ее форм.

Энгельс показал, что закон сохранения и превращения энергии является абсолютным законом природы, так как в нем выражается вечная объективная закономерность мира — несотворимость и неуничтожимость движения материи — и его способность к бесконечным превращениям из одной формы в другую. Закон сохранения и превращения энергии выражает единство количественной стороны движения (постоянства количеств энергии) и качественной (способности к новым и новым превращениям). «Неуничтожимость движения,— констатирует Ф. Энгельс,— надо понимать не только в количественном, но и в качественном смысле».

Подчеркивание качественной стороны неуничтожимое движение было направлено Энгельсом против «теории» так называемой тепловой смерти вселенной, выдвинутой физиком Р. Клаузиусом во второй половине ХIХ в. на основе неправильно истолкованного второго начала термодинамики. Второе начало термодинамики устанавливает, как известно, что самопроизвольный переход теплоты всегда происходит в одном направлении — от более нагретого тела к менее нагретому. Особенностью теплоты является также то, что в земных условиях все виды энергии могут без остатка превратиться в теплоту, а образующаяся теплота рассеивается в окружающем пространстве. В земных условиях такое явление действительно имеет место. Но Р. Клаузиус распространил второе начало термодинамики на всю вселенную и пришел к выводу, что со временем в мире прекратятся все процессы и наступит абсолютное равновесие — «тепловая смерть вселенной», энергетическое вырождение материи; иначе говоря, движение (энергия) количественно сохранится, но исчезнет качественное его многообразие. Оно перевоплотится в одну форму движения—тепловую.

Поиск по сайту: