Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Такая зависимость, будь она найдена, открывала бы возможность вы- " С а у-Е и в вас. Ргеппег Евва! роиг бе1егпипег !ев чапанопв бе 1ептрега1иге Чиергоичеп! 1ев каг еп сЬапяеап! бе бепы1е, е1 сопвтбега1!опв виг !еиг сараспе роиг !е са!огтяие (В. 1гиг Ма сь Е. Р!е Рг!пг!р!еп бег %аггпе!еьге. Ее)рх!К, 1900, 5. 464). 'ь Там же, 5. 474. " Смг Р о11е г 3. Тье Стау-Еиввас Ргее Ехрапв!оп Ехрегипеп1. 3оигпа! Лгп. 5ос. )ч)ача! Епи., !959, ч. 71, р.
643. " Смг Ма сь Е. Р!е Рйпв!р!еп бег %аппе!еьге. Ее!рх!К, 1900, 5. 463. "Р. Ре Еа тось е е1 3. Вегагб. 5иг !а бе1еггл!па1!оп бе !а сьа!еиг вресйяие бев б!!!егеп1в яах. Аппа!ев бе сь)го!е е1 бе рьумяие, !813, 1. 85, р. 72. 75 числення теплоемкостей газа при постоянном объеме, прямых определений которых не удавалось получить из-за больших эксцериментальных трудностей. В истории развития физики часто встречались случаи весьма неожиданного пересечения, казалось бы, весьма далеких друг от друга ее областей.
В наше время этот процесс, охвативший не только отдельные области, но и целые науки, уже не вызывает удивления. С таким примером пересечения физики встретились и при изучении теплоемкостей газов. Речь идет о старой акустической проблеме, относящейся к загадочному расхождению между значениями скорости звука в воздухе, вычисленными, с одной стороны, теоретически Ньютоном, а с другой †найденны в результате многочисленных экспериментов.
Фабри пишет по поводу этой проблемы: «о течение более одного века существовало расхождение в 20 ьть между опытом и значением скорости звука, вычисленным согласно теории, казавшейся свободной от всякого упрека; этот скандал закончился только тогда, когда заметили, что забыли принять во внимание изменения температуры воздуха, сопровождающие сжатия и расширения при прохождении звука и влияющие на упругие свойства воздухаь ™, Дело, конечно, здесь не в забывчивости, а в том, что во времена Ньютона не было ни малейшего понятия о тех процессах, которые необходимо было учесть для того, чтобы построить теорию, дававшую правильный результат.
Указанная загадка волновала умы ученых, которые не находили ошибок в рассуждениях Ньютона. Точно так же не удавались и попытки обоснования экспериментальных данных, несмотря на то что этим вопросом занимались первоклассные ученые. Загадка была разрешена только после того, когда увидели связь между явлением распространения звука в газах и рассмотренными выше тепловыми эффектами, возникающими при изменении объема газа. Проблема скорости звука в газах и ее связь с вопросом о теплоемкостях Уже у античных авторов можно найти указание на то, что звук обусловлен колебательным движением тела (Птоломей, Евклид). Аристотель отмечает, что скорость звука имеет конечную величину, причем, по его мнению, разную для высоких и низких тонов: низкие тона распространяются с меньшей скоростью, чем высокие. Аристотель правильно представлял себе природу звука: «Звук происходит...
оттого, что звучащее тело определенным образом приводит воздух в движение, который при этом сжимается и растягивается и ударами звучащего тела проталкивается все дальше и далыие, отчего звук и распространяется во все стороныэ ть. Попытки экспериментального определения скорости звука от- ть РаЬ ту СЬ. Е!етпеп1э бе ТЬетптобупапт1япе. Рат1а, !928, рр. 4 — 5. ть Аристотель.
Физика. М., 1937, с. 282. носятся к первой половине ХЧ11 в. По-видимому, впервые Ф. Бэкон в «Новом органоне» указал на возможность определения скорости звука путем сравнения промежутков времени между вспышкой света и звуком при выстреле. Применив этот метод, М. Мерсенн нашел, что скорость звука в воздухе составляет величину около 1380 парижских футов в секунду (370 м/с). Несколько позже П. Гассенди опроверг мнение Аристотеля о различии скоростей распространения высоких и низких тонов.
При этом он воспользовался способом Мерсенна, измерив промежуток времени между появлением вспышки и звуком выстрела из ружья и пушки. Гассенди нашел, что скорость звука в обоих случаях одинакова и составляет величину порядка 1473 фут/с (около 390 м/с). В последующие годы ХУ11 в. отдельные ученые и научные учреждения ряда европейских государств проводят измерения величины скорости звука в воздухе. Так, ученые флорентийской «Академии опыта», применив способ Мерсенна и Гассенди, но с большей точностью, нашли, что звук распространяется в воздухе со скоростью 1111 фут/с. Группа ученых, членов Парижской Ака.
демин наук — Д. Кассини, Пикар, Гюйгенс и Ремер — получила для скорости звука значение в 1172 парижских фута в секунду. Значительный разнобой в получаемых числах являлся результатом низкой техники измерений, а также следствием того, что не учитывались различия в состоянии воздуха в разных экспериментах. В общем, до появления первого издания классического труда Ньютона «Математические начала натуральной философии» (1686), в котором он впервые рассмотрел теоретически вопрос о скорости звука в газах, скорость звука в воздухе была определена со средним значением в 350 м/с. В своих «Началах» Ньютон пишет: «йогда по жидкости (имеются в виду упругие жидкости — газы.— Я. Г.) распространяются сотрясения, то отдельные ее частички, совершая взад и вперед весьма малые колебания, ускоряются и замедляются по закону качания маятника» 124, с. 474).
Применяя законы механического движения и предполагая, что «движуи(ие упругие силы пропорциональны сжатию и расширению среды», Ньютон геометрическим способом (общепринятым в физико-математических сочинениях Х17П в.) доказывает следующее положение: «Скорости распространяющихся в упругих жидкостях сотрясений находятся в прямом отношении корней квадратных из сил упругости жидкости и в обратном отношении корней квадратных из их плотностей, причем предполагается, что сила упругости жидкости пропорциональна сгущению ееь 124, с.
4ВО). Следствием этой теоремы является вывод, согласно которому «скорость бега сотрясений равна скорости, приобретаемой тяжелым телом при равноускоренном падении по прохождении им высоты '/, А» (24, с. 483) . Здесь под А Ньютон понимает высоту «однородной среды, вес которой равен давящему весу и плотность 77 которой такая же, как плотность той сжатой среды, в которой биения распространяются».
Применив современные обозначения, легко видеть, что ньютоновская формула скорости звука может быть выражена в виде а-)г' и/с с учетом, что «высота стандартной атмосферы» /с соответствует половине А. Именно в таком виде формула Ньютона и фигурировала в позднейших сочинениях по акустике.
Поскольку давление Р связано с /г соотношением Р=рйй, то а-рг Р/р, Произведя расчет скорости звука в воздухе в соответствии со своей теорией, Ньютон нашел, что она равна 979 фут/с 1около 290 м/с). Таким образом, Ньютон получил величину скорости звука, значительно меньшую той, которая определялась экспериментально. Проведя расчеты несколько раз и получая один и тот же результат, он убедился в несоответствии своей теории с опытом.
Экспериментальные определения скорости звука, предпринятые вновь после выхода труда Ньютона, неизменно приводили к прежним данным. Так, Гауксби в 1708 г. нашел ее величину в 1380 фут/с. Естественно, что Ньютон первым сделал попытку объяснить это расхождение. В последующих изданиях своих «Начал» (1713; 1725) он указывает возможные причины расхождения. «В этом расчете,— пишет он,— на примята во внимание величина самих твердых частиц воздуха, через которые звук распространяется мгноггнно,.
Кроме того, пары, находлгцагся в воздухе, обладают иною упругостью и алым Ньютон Исаак 11642 †17) Английский физик и математик. Родился в Вулсторпе вблизи Кембриджа. Образование получил в Кембриджском университете, который окончил в 1665 г. С 1669 г. профессор этого университета. С 1672 г.
член Лондорского Королевского общества, а с 1703 г.— его президент. Работы Ньютона охватывают широкий круг вопросов физики, математики, механики и астрономии. В предыстории термодинамики остался как автор исследований процесса теплообмена нагретых тел с окружающей средой и распространения звука в воздухе. Полученные Ньютоном результаты легли в основу дальней- ших исследований. 78 тоном и едва ли сколько-нибудь, а может быть, и совсел~ не участвуют в тех движениях самого воздуха, которыми передается звук» [24, с. 484 — 485). С этими поправками, говорит он далее, «вь!шенайденная величина должна быть увеличена... после чего получится, что в секунду звук пробегает П42 фута».
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
