Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В античный период развития науки огонь является важнейшим элементом в натурфилософских концепциях ученых античных времен. В этот же период была подмечена и связь между теплотой и движением, о чем, например, упоминается в поэме римского поэта и философа Лукреция Кара «О природе вещей»1. Во 11 в. до н. э. была открыта движущая сила огня. Автор этого открытия — древнегреческий инженер Герон Александрийский, построивший на этой основе особый прибор — эолипил [251. В древности были известны также явления испарения, кипения и плавления.
Однако попытки объяснить их не увенчались успехом. Следует отметить и такое наблюдение античных натурфилософов, как установление теплового равновесия между горячими и холодными телами. Это был первый шаг на пути к формированию важнейшего понятия всего учения о теплоте — понятия т е ми е р а ту р ы — и изобретению прибора для ее измерения — т е рмометра.
На протяжении огромного исторического периода, включающего средневековье и первые века нового времени, существенно новых сведений о тепловых явлениях получено не было. В различных естественнонаучных сочинениях этой эпохи встречаются высказывания о теплоте и ее проявлениях в духе античных ' Смс Л у к р е и и й. О природе вещей.
М., 1933, с. 37. натурфилософов, ничего не прибавлявшие к тому, что было известно ранее. Не следует, однако, думать, что наблюдения и идеи античных натурфилософов никак не повлияли на последующее развитие учения о теплоте. В учениях многих средневековых философов они занимают далеко не последнее место. Это, в частности, относится к учению о четырех стихиях, где теплоте и холоду отводится важная роль, как об этом говорилось выше. Как в античной, так и в средневековой физике теплоте и холоду приписывалась роль основных движущих начал, производящих отталкивание н притяжение, расширение и сжатие. В той или иной форме эти идеи мы находим в физических теориях ХНШ вЂ” начала Х!Х вв.
Представление о теплоте и холоде как причинах притяжения и отталкивания, особенно развиваемое Аристотелем и его учениками, было положено в основу учения средневековых схоластов об отталкивании противоположностей. Первые шаги в экспериментальном изучении тепловых явлений относятся к концу ХЧ1 — началу ХНП вв. Они связаны с изобретением и усовершенствованием первого измерительного теплового прибора †термомет, Именно это изобретение можно рассматривать как начало развития термодинамики, ибо, по выражению Бекера, «понятие температуры господствует над всем учением о теплоте» '.
Что касается самого термометра, то вполне можно согласиться с Мейер, охарактеризовавшей его как «могущественный инструмент в титанической борьбе между истиной и заблуждением» !75, Б. 1Ц . Истории термометра посвящена довольно обширная литература. Поэтому мы остановимся только на некоторых основных моментах '. Трудно сейчас с достоверностью сказать, кому первому пришла в голову замечательная идея использовать известное еще Герону Александрийскому н Филону из Византии свойство воздуха расширяться при нагревании для устройства измерительного прибора, показывавшего «градус» тепла нагретого тела.
В историко-физической литературе это изобретение связывают обычно с именами двух ученых — итальянца Галилео Галилея и голландца Корнелия Дреббеля. В 1592 г. Галилей впервые во время своих лекций демонстрировал прибор, который можно считать прообразом термометра. Прибор этот состоял из стеклянной трубки, верхний конец которой заканчивался шариком. Шарик слегка нагревался !например, от тепла руки), а затем трубка открытым концом помещалась в сосуд с водой, Прн охлаждении шарика вода поднималась по трубке и устанавливалась выше уровня воды в ' Вес!гег й. Тьеопе бег Нггаппе. Вег11п — Сго11!пяеп, 1955, 5. 7.
' Смп Виго!тра г 81 Р. Вяе ЕгПпг1ппу йеа ТЬеггпопте1геа ппй ае1пе Сеыа1- 1ппя пп ХН11 Яаьгкппвег1. Ваке!, 1867. См. также: Нгг о Ь! пг111 Е. Епг Сеась!сЫе г1ег Егйпйопу ппй Негьгаиппп йеа Тпеппогпе1геа (Апп. 8ег Раув!г ппг! Сьего!е, 1865, В6. 200, 5. 157). 8 сосуде. При нагревании шарика воздух в трубке расширялся и уровень воды в ней опускался. Таким образом, по положению уровня воды в трубке, по крайней мере качественно, можно было судить об изменении температуры тела (рис. 1). Таким образом, Галилея можно считать первым ученым, не только высказавшим мысль о том, что изменение температуры тела тесно связано с изменением его физических свойств (в данном случае объема), но и практически реализовавшим ее в форме прибора — термоскопа. Значительно позже эта мысль Галилея, осознанная во всей своей широте, оказала огромное влияние на развитие не только термометрии, но и других разделов учения о теплоте.
Термоскоп Галилея был впервые описан английским философом Ф. Бэконом в 1620 г.'. Изготовленные собственноручно великим итальянцем термоскопы хранятся в настоящее время в музеях Флоренции и Падуи. Что касается изобретения Дреббеля, то, по свидетельству некоторых авторов, писавших об истории термометрии, свой прибор он сконструировал независимо от Галилея в 1604 г. н описал его в труде «Краткий трактат о природе элементов» [61, 6. 27 — 30]. Прибор Дреббеля представ- Рис.
1. термоскан лял, по существу, также термоскоп несколько иной конструкции (рис. 2). Следует отметить, что некоторые ученые ставят под сомнение факт существования термоскопа Дреббеля, называя его мифом Галилей Галилео (1564 †16) Итальянский физик, механик и астроном. Ро. дился в Пизе. В !58! г. поступил в Пнзан.
ский университет, где изучал медицину. С 1586 г. продолжил образование во Флоренции, где изучал математику. С 1589 г. преподавал математику в Пизе, с 1592 г. — в Падуе. С 1611 г. жил в Риме, где занимался главным образом разработкой н пропагандой гелиоцентрнческой системы мира, обоснование которой он начал еще в Падуансний период жизни. Выл членом Академии ден Линчен. В предыстории термодинамики остался как изобретатель термоскопа„ предшественника современного термометра. 152). Однако вряд ли следует считать мифом изобретение голландского ученого, о котором упоминают все авторы трудов по ранней историк термометрии [51, 3. 29), О термоскопе Дреббеля писал и ученик Галилея Сагредо в одном из писем к своему великому учителю + .
с» У ~': [51, 3. 32]. Первое применение термоскоп нашел . в медицине для измерения температуры тела больных. Этому применению он обя- й ' зан современнику Галилея профессору — —,,;-, медицины Падуанского университета =:=.-;у ) Санкториусу (рис. 3). ,'-:- — "ЙФ Французский физик Жан Рей, пере- вернув термоскан Галилея, впервые порно 2 !ермо«кон дреббелв ЛУЧИЛ ПРИМИтИВНЫй жИДКОС1НЫй тЕРМО- метр. Описанный выше термоскоп был прибором весьма несовершенным — он не имел шкалы и на его показания существенно влияло изменение атмосферного давления.
Превращение термоскопа в термометр произошло позже и связано с исследованиями «Академии опыта», учрежденной во Флоренции в 1657 г. Однако коекакие усовершенствования термоскопа были сделаны еще до этого времени. Так, в 1636 г. Каспар Энс опубликовал сочинение «Математический чудотворец», в котором, в частности, говорится «О термометре, или Дреббелевом инструменте, посредством которого исследуется градус тепла и холода, находяи(егося в воздухеж Здесь описана одна из первых температурных шкал, разделенная на восемь частей (градусов). В этом же сочинении впервые в научной литературе встречается слово «термометр». В состав «Академии опыта» (Асад.
г[е! СЫ- гпеп1о) входили первоклассные ученые ХЧ[1 в., такие, как В. Вивиани, Д. Борелли, Д. Кассини, К. Ренальдини и др. Это обстоятельство обусловило высокий научный уровень выпол- Л пенных там исследований, главным образом экспериментальных з. Флорентийские академики первые изготовили термометр, отличавшийся от термоскопа тем, что из трубки уда- риу лялся воздух и верхний ее конец либо заливался сургучом, либо запаивался. Таким образом, давление атмосферы уже не сказывалось на его показаниях.
Кроме того, подкрашенную воду они заменили спиртом. Последнее необходимо было 4 Смз Бэкон Ф. Новый органон. М., 1938, с. 252. з Подробное описание опытов флорейтийских академиков дано голландским физиком П. Мушенбреком в 1731 г. Содержание этого трупа см. в [82). Англ. перлЕхрег!тепм о1 Асабесоу бе! СГишеп1о, 1гапа!а1еб Ьу цга!1ег. йопбоп, 1684. 10 потому, что трубки лопались, когда вода в ннх замерзала. Но н с такими усовершенствованиями прибор флорентийских академиков не был в полном смысле термометром, так как шкала у него была совершенно произвольна, постоянные точки отсутствовали или же выбирались также произвольно, например по максимально холодному дню зимой или жаркому — летом во Флоренции. Ясно, что такие приборы невозможно было сравнивать между собой.
Однако несмотря на это, с помощью своего прибора флорентийские академики открыли ряд важных явлений„в том числе постоянство точки таяния льда, разницу в расширении стекла и термометрической жидкости, тепловое излучение от раскаленных тел и др. Некоторые успехи, достигнутые в «Академии опыта» при изучении тепловых явлений, стимулировали попытки ученых устранить основной недостаток термометра — произвольное построение его шкалы. Они хорошо понимали, что, устранив этот .недостаток, можно получить прибор, открывавший большие возможности количественного изучения тепловых явлений. Первые попытки усовершенствования термометра были связаны с установлением постоянных точек шкалы.
В течение ХтгН в. различными учеными были предложены разнообразные варианты этих точек. Так, О. Герике предложил принять за одну из них среднюю температуру во время первых заморозков. Однако произвольный характер такого выбора был совершенно очевиден. Э. Галлей, Х. Гюйгенс, некоторые другие ученые, которым было известно постоянство точек замерзания и кипения воды, предложили их в качестве постоянных точек термометра.
Гюйгенс в 1655 г. обратил внимание, что удобно в качестве постоянной точки термометра взять точку кипения воды: «Тогда не будет не- Е(ельсий Андерс (1701 †17) Шведский астроном н физик. Родился в Упсале. С 1730 г. профессор Упсальского университета, а с 1740 г. директор обсерва. торин там же. Автор большого числа работ по астрономии и физике. В предыстории термодинамики остался как автор стоградусной температурной шкалы («шкала Цельсияь). 11 обходимости посылать термометры из одного места в другое, чтобьз сравнить наблюденную степень теплотьз» е,— писал он цо этому поводу. Аналогичное предложение позже (1693) было сделано и Ренальдини.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
