Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 18
Текст из файла (страница 18)
К началу Х1Х в. все знания в этой области ограничивались, по существу, законом Бойля — Мариотта и его кинетическим толкованием М. Ломоносовым и Д. Бернулли. Чего-либо равноценного этому закону открыто не было. Следующий важный шаг в области тепловых свойств газов был связан с изучением их теплового расширения. В истории развития термодинамики изучение теплового расширения газов оказалось важным в двух отношениях: оно явилось той основой, на которой было установлено одно из важнейших термодинамических понятий — понятие абсолютной температуры; кроме того, оно способствовало развитию правильных представлений о взаимосвязи между механической работой и теплотой.
В историко-физической литературе имеются указания на то, что еще Дреббель во время работы со своим термоскопом сделал попытку исследовать тепловое расширение воздуха 175, 8. 28~. Однако более или менее систематическое исследование этого вопроса было начато в 1699 — 1702 гг. Амонтоном ", позже Мушенбреком, Ла-Гиром, Делюком и Пристли. Последний сделал также попытку изучить тепловое расширение не только воздуха, но и других газов. Указанные исследования не были обусловлеяы чисто академическим интересом, а имели определенную практическую направленность. Дело в том, что начавшие распространяться в ХУП1 в. барометры были весьма несовершенны.
Для получения достаточно точных показаний необходимо было вводить поправки на расширение воздуха в соответствии с той высотой, на которой определялось давление. Для этой цели необходимо было знать, как изменяется объем газа в зависимости от его температуры. В качестве меры этого изменения принималось относительное изменение объема данной массы газа при его нагревании в пределах между точками таяния льда и кипением воды при нормальных условиях.
От коэффициента объемного расширения газов а эта величина отличалась в 100 раз, Амонтон нашел значение меры объемного расширения, равное " Смл А топ!оп О. О!всоигз впг Чпе!янез ргоропе!ез йе Га!г, !е гпоуеп й'еп соппацге 1а !егпрегаюге йапв !ез с!ппа!з йе !а Тегге, Мегп йе 1'Асай. йоуа1е йез Зс!епсев, 155, 1702. и Здесь и далее вместо термина «кельвин» использовано обозначение еградус», применявшееся в то время. в' Смл Аппа!ев йе спйп!е, !802, !. 43, р. 137 — 175; [77, 1Ч 441. 68 0,380 град — ', другие исследователи получили для него значения аз, лежащие между 0,333 и 3,5 град-'.
Такой разнобой в значении коэффициента объемного расширения для одного и того же газа (воздуха), естественно, вызывал недоумение. Перед исследователями, начавшими заниматься тепловым расширением газов в рассматриваемый период, возникали две задачи. Первая из них заключалась в выяснении причины разнобоя в значениях коэффициента объемного расширения, а вторая — в точном определении этого коэффициента как для воздуха, так и для других газов и влияния на этот коэффициент различных факторов. Важнейшая работа в этом плане была выполнена по предложению К. Бертоле французским химиком и физиком Гей-Люссаком.
Ее результаты были доложены по традиции того времени Национальному институту в Париже 31 января 1802 г. и в том же году опубликованы в «Аппа1ез бе сЫш)е» под названием «Исследования расширения газов и паров» 'э. Эта классическая работа состоит из четырех глав, в которых дан обзор предшествующих исследований, а также подробное описание методики экспериментов, которые проводил Гей-Люссак, и полученных в результате экспериментов данных относительно коэффициента объемного расширения газов. «Шесть опытов с атмосферным воздухом,— пишет в своей работе Гей-Люссак,— дали следующий результат: если взять объем атмосферного воздуха при точке плавления снега за 100 частей и нагревать его до температуры кипения воды, то он расширяется до 137,4; 137,6; 137,54; 137,55; 137,48; 137,57, т.
е. среднее значение составляет 137,5 части» [77, )ч) 44, $: 20). Полагая расширение равномерным, т. е. «прояорциональньгм числу градусов, на которое происходит повышение температуры, и используя Геи-Люссок Жозеф Луп (1778 †18) Французский физик и химик. Образование получил в Парижской Политехнической школе. С 1889 г. профессор этой школы н одновременно профессор физики в Сорбонне.
В истории термодинамики остался как автор классических исследований расширения газов и их теплоемкостей. Совместно с Ф. Араго являлся издателем знаменитого научного журнала «Аппа!ез бе сп1- гп!е е1 бе рьувяпе». шкалу Реомюра, Гей-Люссак получает для коэффициента объемного расширения воздуха значение в 1/213 град-', что соответствует по шкале Цельсия значению !/266 град-'.
Аналогичный результат получился и в опытах с другими газами (водородом, азотом, кислородом, парами эфира и др.). Суммируя и тщательно анализируя полученные результаты, Гей-Люссак приходит к следующему выводу: «Описанные выше опьгты, которые б ли произведены мною с величайшей тщательностью, ясно показывают, что итмосферный воздух, кислород, водяной пар, изот, амлшак, углекислый газ при одинаковом повышении температуры расширяются равномерно и что, следовательно, величина расширения нв зависит от различных физических свойств или особой природы этих тгл и что все газы вообще, насколько я могу заключить, при одинаковом давлении расширяются от теплоты одинаковым образомэ 'ь, реньо Анри Виктор (1810 †18) *.т Родился в Аахене (Германия).
В 1880 г. окончил Политехническую школу в Париже и с 1840 г. профессор этой школы. Член Парижской Академии наук (с 1840 г.). Позже был приглашен на должность профессора физики н химии в Коллеж де Франс. С 1854 г. лиректор знаменитой фабрики фарфора в Сев ре. В истории термодинамики Реньо остался как автор великолепных экспериментальных исследований тепловых свойств (и вообще физичсских свойств) газов и водяного пара, которые он проводил в течение нескольких десятилетий начиная с 40-х годов Х!Х в.
Его исследования, не превзойденные по точности в течение многих лет, сыграли очень большую роль в развитии термодинамики. 70 Так был открыт закон, вскоре вошедший во все курсы физики под названием за кона Г ей-Л ю оса к а. Независимо от Гей-Люссака исследованием расширения газов при нагревании занимался и Дальтон. В том же 1802 г. он провел серию исследований, получив для коэффициента объемного расширения число 0,00373 град — '. Сходясь с французским ученым в том, что коэффициент расширения у всех газов одинаков, Дальтон тем не менее полагал, что сам процесс расширения не является равномерным.
В этой части исследования английского химика имеют лишь исторический интерес. Даже при жизни обоих ученых все исследователи, которые занимались изучением тепловых свойств газов, всегда ссылались на исследования ГейЛюссака. Интересно отметить, что Дальтон связывает тепловое расширение газов с существованием абсолютного нуля температур (по его терминологии «уровень абсолютного холода»), кото- рый, согласно его вычислениям, должен лежать ниже точки замерзания воды на 1547 'Р (приблизительно 860 'С) а'. Отметим еще некоторые важные исследования теплового расширения газов, выполненных после опытов Гей-Люссака. В 1837 г. профессор физики в Упсале Ф.
Рудберг провел исследование расширения сухого воздуха в интервале температур от 0 до 100'С. Он нашел, что коэффициент объемного расширения лежит в пределах от 0,00364 до 0,00365 град — '. Г. Магнус в Берлине в 1840 г. изучал расширение газов при высоких температурах. Большое значение для последующего развития термодинамики газов и паров имели труды А. Реньо, данными которого на протяжении многих лет пользовались физики и инженеры.
Несмотря на то что эти данные были получены в 1840 — 1842 гг., они долгое время оставались непревзойденными по точности. Первые определения теплоемкости газов. Открытие тепловых эффектов при изменении объема газа Первые попытки определения теплоемкостей газов относятся еще к 80-м годам ХЛ11 в. Крауфорд был одним из первых ученых, кто попытался это сделать, используя для атой цели метод смешения Блэкаах. Лавуазье и Лаплас, пользуясь своим ледяным калориметром, пропускали через смесь воды со льдом нагретый газ.
Определив массу растаявшего льда и зная соответствующие температуры, они из уравнения теплового баланса пытались вычислить удельную теплоемкость воздуха и некоторых других газов". Однако, так же как и Крауфорд, удовлетворительных результатов они не получили. Если оставить в стороне некоторые другие малоуспешные попытки определения удельных теплоемкостей газов, то следует признать, что первые достаточно определенные данные по этому вопросу были получены в 1813 г. Деларошем и Бераром. Им удалось в значительной мере преодолеть экспериментальные трудности, обусловленные малой массой газа, и получить значения удельных теплоемкостей некоторых газов, которые можно было считать вполне удовлетворительными.
Этими значениями в течение ряда лет пользовались многие физики. Достичь своих результатов им удалось с помощью несколько видоизмененной методики Лавуазье и Лапласа: в специальном со- м 177, № 44, 8. 20). Следует отметить, что к аналогичному заключсншо пришел Шарль в 1?87 г., т. е. за 15 лет до опытов Гей-Люссака, но свои наблюдения он не опубликовал. Гей-Люссак отмечает этот факт в своем мемуаре ~77, № 44, 5. 2) . " Отметим, что Гей-Люссак также полагал, что по мере охлаждения газа его объем должен уменьшаться и в идеале обратиться в нуль. Основываясь на своих результатах, он определил величину абсолютного нуля †2 'С, что довольно близко к действительному значению.
" Смл Сга п1ог д. Ехрег!епсез апд оьзегча1!опз оп апина! 'пеа!. "Смл качо!з!ег А. е1 1ар!асе Р. 8нг 1а спа1еиг. А. Еачо!з!ег, ОЕпчгез, 1. 11, р. 283. 71 суде помещался животный пузырь с исследуемым газом. Пузырь сжимался с помощью воды, равномерно подаваемой в сосуд от специального приспособления. Газ, выходя при этом из пузыря, протекал сначала через трубку, где он подогревался до температуры 100'С водяным паром, а затем через змеевик, помещенный в калориметр с холодной водой..Теплоемкость газа определялась по повышению температуры воды в калориметре и понижению температуры газа, выходящего из калориметра.
Работа этих ученых «Определение удельных теплоемкостей различных газов»«4 получила премию Парижской Академии наук. Указанным выше способом Деларош и Берар исследовали удельные теплоемкости воздуха, водорода, кислорода, азота, водяного пара и некоторых других газов. Рассмотренные выше исследования относились к измерению теплоемкостей газов в условиях их свободного расширения, т. е. при постоянном давлении. Попытки же определения теплоемкостей при постоянном объеме успеха не имели.
К началу Х1Х в, некоторые наблюдения определенно говорили о том, что теплоемкости одного и того же газа при постоянном объеме и постоянном давлении должны быть различными. Этн наблюдения касались температурных эффектов, возникающих при изменении объема газа — при его сжатии или расширении. Одно из первых наблюдений такого рода принадлежит Эразму Дарвину, который описал его в работе «Эксперименты по охлаждению воздуха при его расширении» ". В 1788 г. Э.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
