Кричевский И.Р. Понятия и основы термодинамики (Кричевский И.Р. Понятия и основы термодинамики.djvu), страница 11

59. 1.(р р ю в пи О., Сопгв бе ТЬегпюбупат!9ое, Рапв, 1889 60. Весйег К., ТЬеог!е бег»г'аппе, ВегВп — Оо!11п5еп — Не!де1Ьег8, 1955. Глава П1 ТЕПЛОТА Неясное представление о теплоте, как о чем-то переходяи[елг от горячего тела к холодному, существовало задолго до изобретения первого термоскопа. Повседневные наблюдения над нагреванием тела, расположенного вблизи огня, невольно приводили к такому представлению. Но после изобретения термоскопа и последующего его превращения в термометр вопрос о том, что именно переходит, постепенно становился одной из важнейших проблем термодинамики. О природе теплоты были почти одновременно высказаны две гипотезы, Борьба между их сторонниками продолжалась свыше 200 лет.

Когда борьба закончилась, выяснилось: одна гипотеза потерпела полное поражение, другая одержала лишь частичную победу. Две гипотезы о природе теплоты Автором первой гипотезы был Галилей [1613 г.). Теплота, по его взглядам,— вещество, способное проникать во все тела и выходить из них. Это основное предположение Галилея сохранилось при последующем развитии гипотезы а. Тепловое вещество получило много названий. Среди них было и название теплород. Изменение температуры тела связывалось с изменением количества теплорода в теле.

При увеличении количества теплорода температура тела повышается; при уменьшении количества теплорода температура понижается. При полном отсутствии теплорода в теле достигается наименьшая возможная тем. пература — абсолютный нуль температуры. ' Взгляды Галилея на природу теплоты известны кз письма к нему венепианца Сагредо. (Он находился в оживленной переписке с Галилеем.) Письмо Сагредо приведено в [Ц.

Представления о теплоте до Галилея рассмотрены в [2, 31 С развитием учения о теплоте можно ознакомиться по книгам [2, 4 — 61 и обзору [т[. В начале ХИП века стали взвешивать тела при различных их температурах в надежде определить массу теплорода "'. Различие в массах не было обнаружено. Не обнаружил его и Румфорд (1787 г.) в своих точных опытах [9]. Румфорд заключил: теплота невесома и, следовательно, не вещество. Невесомость теплоты согласовалась, по мнению Румфорда, со второй гипотезой о природе теплоты. (По этой гипотезе теплота есть движение малых частиц тела, см. ниже.) «Ясно, что движение частиц никоим образом не может повлиять на вес тела» (цит.

по [101, стр. ЗЗ). Сейчас нам ясно обратное утверждение. В ХХ в. теория относительности показала, что горячее тело все же должно иметь ббльшую массу, чем холодное, хотя теплота и не вещество. При размерах тел и разностях температур, при которых возможны точные взвешивания, это различие в массе неизмеримо мало, Тем не менее вследствие этого различия при термическом равновесии в гравитационном поле (глава 11) температура системы непостоянна во всех ее точках (11).

Если бы температура системы, например большой планеты, была первоначально повсюду одинаковой; то подобное распределение температуры было бы нарушено. Возник бы самопроизвольный поток теплоты (лучше сказать, как читатель убедится в дальнейшем, тепловой энергии) по направлению от периферии к центру. Поток сопровождался бы увеличением массы вещества, расположенного ближе к центру планеты, и уменьшением массы вещества, расположенного дальше от центра.

Поток теплоты повлек бы за собой возрастание температуры планеты ог центра к периферии. Температурное равновесие установилось бы тогда, когда оба противоположно направленных потока теплоты стали бы равными. Гипотеза о вещественной природе теплоты приводила к положению: теплота не порождается, не уничтожается, а только пере- распределяется между телами. Вторую гипотезу выдвинул Бэкон. Ее основа — наблюдения, что движение может вызвать нагревание тела. «Наковальня сильно нагревается под молотом, так что мы считаем, что если бы наковальнц была сделана из более тонкой плиты, то сильными и продолжительными ударами молота ее можно было бы раскалить докрасна» ([12), стр. 127).

Бэкон приходит к выводу: теплота есть движение малых частиц тела *". Основной довод Бэкона будут приводить в различных вариантах все сторонники второй гипотезы, например, в ХЧП в. Де- ' Об этих опытах см. [81, стр. 606 — 607. Пытался определить массу тепло- рода и Вольтер (1737 г.). *«Обе гипотезы о природе теплоты гораздо старше, чем Галилей и Бэкон. Но мы не пишем истории термодинамики. Еще в Х1Н веке теплоту рассматривали как форму движечия. В подтверждение указывали на плавление свинцового наконечника стрелы при ее полете в воздухе [!31.

См. также [141, стр. 87. !95. карт*, Бойль, Локк""', Гук ([17], стр. 278), в ХУ!П в. Мариотт [!8], Ломоносов, Румфорд, Дэви, в Х!Х в. Майер и Джоуль. Из основного довода они сделают и основной вывод. Так, М. В. Ломоносов писал (1?49 г.): «Очень хорошо известно, что теплота"** возбуждается движением: от взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем; при ударе кремния об огниво появляются искры; железо накаливается от проковывания частыми и сильными ударами, а если их прекратить, то теплота уменьшается и произведенный огонь в конце концов гаснет» ([19], стр.9). М. В. Ломоносов приходит к выводу: «Из всего этого совершенно очевидно, что достаточное основание теплоты заключается в движении.

А так как движение не может происходить без материи, то необходимо, чтобы достаточное основание теплоты заключалосо в движении какой-то материи» ([19] стр. 9). И далее: «Так как тела могут двигаться двояким движением — общим, при котором все тело непрерывно меняет свое место при покоящихся друг относительно друга частях, и внутренним, которое есть перемена мест нечувствительных частиц материи, и так как при самом быстром общем движении часто не наблюдается теплоты, а при отсутствии такого движения наблюдается теплота, то очевидно, что теплота состоит во внутреннем движении лгагергги» ([19], стр.

11). По второй гипотезе теплота не является уже веществом, содержащимся в теле, Теплота представляет собой внутреннее движение нечувствительных, т. е. мельчайших, не обнаруживаемых нашими чувствами частиц тела. Температура определяется уже не количеством теплорода в теле, но скоростью движения нечувствительных частиц. М.

В. Ломоносов обосновывает с позиций второй гипотезы и существование абсолютного нуля температуры. Ему соответствует уже не полное отсутствие теплорода в теле, но полное прекращение движения частиц ([19], стр. 39). Дальнейшее развитие науки подтвердит существование абсолютного нуля температуры, хотя и отвергнет представление о полном прекращении движения частиц при абсолютном нуле. Один современник М. В.

Ломоносова правильно (если только отвлечься от ссылки на бога) подметил (!741 г.) основное различие обеих гипотез: «Создан ли огонь самим богом в начале вещей или же огонь может быть произведен механическим способом из других тел, если вызвать некоторые изменения в частицах тел» [2].

* «...потирая руки, их можно согреть...» [15!. *' «тепло представляет собой очень быстрое возбуждение неощутимых частей предмета...; таким образом, то, что мы ощущаем как тепло, в самом предмете является лишь движением. Об этом говорит образование тепла; так, например, мы видим, что если потереть металлический гвоздь о доску, то ои сделается очень горячим; оси колес экипаткей и телег часто бывают горячими, причем иногда они накаливаются до такой степени от трения о них ступицы колеса, что загораются» ([1б1, т. П, стр.

488). ««* «Под каковым именем мы понимаем и более напряженную ее силу, обычно называемую огнем» (сноска М. В. Ломоносова), 47 Но прн всем коренном различии обе гипотезы обладают также важным сходством. Его отметили впервые (1780 — 1784 гг.) Лавуазье и Лаплас [20). Вещество ли теплота или движение, в обоих случаях количество теплорода в системе или количество движении в ней вполне определяется состоянием системы. Обе гипотезы приводят таким образом к выводу: теплота, независимо от ее природы,— свойство системы. Обе гипотезы позволяют говорить о количестве теплоты, содержащейся в системе. По обеим гипотезам изменение (приращение) количества теплоты в системе определяется только начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути перехода системы из начального состояния в конечное.

В Х1Х в. наука придет к очень важному выводу: теплота не содержится в системе, теплота не является свойством системы. Поэтому обе гипотезы окажутся неверными. Первая гипотеза отпадает полностью. Вторая же гипотеза, как выяснится (см, главу ЧН), применима не к теплоте, а совсем к другой величине.

Эта величина получила впоследствии название тепловой (термической) энергии системы. Исследователям ХУ(П в. пришлось разрабатывать методы измерения количества теплоты, разрабатывать методы калориметрии. В Х1Х в. выяснилось, что в условиях, при которых производились эти измерения, теплоту можно рассматривать так, как будто опав свойство системы. Поэтому обе гипотезы оказались равноценными для обоснования калориметрии. К этому выводу пришли еще Лавуазье и Лаплас [20$ Большинство исследователей отдало предпочтение первой гипотезе: она была более простой, более наглядной и легче приспособляемой к новым экспериментальным фактам, чем вторая.