Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Были и другие предложения (75, 5. 36], но начиная с конца ХЪ'П вЂ” начала ХЪ'!П вв. все чаще при конструировании термометров в качестве постоянных точек берутся точки замерзания и кипения воды или же одна из них. Не менее важным вопросом усовершенствования термометров был и вопрос о выборе температурной шкалы, Первые шкалы были построены на основе «градусной теории лекарств».
В качестве примера можно привести термометр, изготовленный И. Ньютоном, который был применен им при изучении процесса охлаждения тел. В 170! г. в «Рп11озорп)са! Ргапзас11опз» была опубликована великим ученым небольшая заметка под названием «О шкале степеней теплоты и холода», к которой мы еще вернемся. Здесь он говорит о термометре, в котором термометрической жидкостью является льняное масло, а «степени теплоты» отсчитываются «от той теплоты, при которой вода начинает от мороза затвердевать, Рис 4. тей- смету т. е.
от низшей степени теплоты, иначе — от общей границы между теплом и холодом, принимая, что теплота человеческого тела равна!2 частям»'. Из каких соображений Ньютон выбрал для «теплоты человеческого тела» 12 частей (верхнюю точку температурной шкалы; нижняя соответствовала точке замерзания воды), станет ясно, если вспомнить, что, согласно «градусной теории лекарств», каждое качество (в данном случае тепло) имеет четыре «градуса» и что, в свою очередь, каждый «градус» имеет еще три деления, Таким образом, число 12 не случайно выбрано Ньютоном, а говорит о его знакомстве с медицинскими трактатами античности и средневековья.
Заметка Ньютона была прокомментирована французским физиком Г. Амонтоном в мемуарах Парижской Академии наук в 1703 г., который в своих примечаниях описал опыты по определению температур в различных точках неравномерно нагретого железного бруска (эти опыты были близки к исследованиям Ньютона). Свои опыты Амонтон производил с изобретенным им воздушным термометром, у которого постоянными точками являлись температура кипения воды и «та значительная степень холода, при которой воздух теряет всю свою упругость» (т. е., по существу, абсолютный нуль температур) (рис.
4). е Дан нема н Ф. История естествознания. М., !935, т. Н, с. 79. ' Выдержки из втой работы Ньютона приведены в комментариях акад. Н. А. Крылова к «Математическим началам натуральной философии> [94!. 12 Первый существенный шаг в направлении получения согласованных по своим показаниям термометров был сделан Д. Фаренгейтом в 1724 г., который предложил в качестве постоянных точек термометра взять температуру смеси воды и льда с нашатырем н температуру человеческого тела (рис.
5). Первую точку на шкале он обозначал числом 32, а вторую — числом 92. Позже, в качестве второй точки Фаренгейт предложил температуру кипения воды, обозначив ее числом 212. Современные постоянные точки термометра— температуры тающего льда и кипящей волив были введены французским ученым Р. Реомюром в 1730 г. Первая точка обозначалась О, вторая — числом 80. Последнее число было выбрано потому, что по наблюдениям Реомюра, термометрическая жидкость при нагревании в пределах постоянных точек расширялась на 80/1000 своего первоначального объема. Первые термометры Реомюр, так же как и Фаренгейт, наполнял спиртом, а затем стал применять ртуть.
Эти ртутные термометры получили широкое распространение. Современный термометр предложен шведским физиком Л. Цельсием в 1742 г., причем первоначально точка таяния льда обозначалась числом 100, а кипения — О. В 1750 г. было йа введено обратное обозначение, сохранившееся до наших дней .
Фаренгейта В России в первой половине ХЧШ в. широкое распространение получили ртутные термометры, изготовленные петербургским академиком Делилем. Длина их была 90 см, а шкала разделена на 150 делений. Этими термометрами широко пользовались русские ученые, в том числе Ломоносов и Рихман.
Хотя термометры Делиля и были сравнимы между собой, но из-за больших размеров они были неудобны в употреблении и поэтому в дальнейшем вытеснены более удобными термометрами Реомюра. Изготовление надежного, чувствительного и точного термометра способствовало значительному прогрессу в изучении тепловых явлений.
С его помощью стало возможным четкое разграничение двух фундаментальных понятий теории теплоты — т е м п ер а т у р ы и к о л и ч е с т в а т е п л о т ы, в отношении которых в ХЧП и ХЧП1 вв. царила полная путаница и неразбериха. «В истории науки потребовалось чрезвычайно много времени для того, чтобы оба эти понятия были разделены, но когда это разделение было произведено, оно вызвало быстрый прогресс науки» э.
' Подробнее о работах Фаренгейта, Реомюра и Цельсия смл Д а н и еман Ф. История естествоэнання, т. Ш, с. 47. См. также немецкий перевод трудов по термометрии этих ученых в серии Оэтча!6'а К!авэ!йег (1894, М 57): Еаьгепьерс Се!агав, цеопшг — АЬЬапб!цойев ПЬег ТЬегпгогпе1г!е. 13 Две гипотезы о природе теплоты: теплота как род движения и теплота как вещество Экспериментальные исследования тепловых явлений, успешно начатые после изобретения и усовершенствования термометра, не могли не привести естествоиспытателей к вопросу о природе теплоты. И действительно, уже в ряде философских и естественнонаучных трудов ХЧ11 — ХЪ'111 вв.
мы находим попытки ответить на вопрос, что такое теплота. Ученые этой эпохи различно толковали природу теплоты, но уже в конце ХЧ11 в. четко наметились две антагонистические концепции. Согласно одной из них, теплота трактовалась как род внутреннего движения частичек тела— корпускул, другая же концепция опиралась на представление о теплоте как особом роде вещества — тепловом флюиде. В дальнейшем мы будем называть эти концепции соответственно к о рпускулярной и вещественной гипотезами. Следует отметить, что в некоторых историко-физических работах высказывалась мысль о том, что указанные гипотезы возникли не случайно, что они в определенной мере отражали философские тенденции в период становления и развития физики, а именно: корпускулярная гипотеза отражала материалистическую линию развития физической науки, в то время как вещественная гипотеза своими корнями уходила к средневековым схоластам, к алхимии и мистике и отражала идеалистическую линию развития науки, в частности физики.
Однако будет неверно сводить обе гипотезы и их соперничество только к отражению в физике борьбы материалистических концепций с идеалистическими. Обе гипотезы возникли в тот период, когда общий уровень науки был еще очень низок. Теоретическое естествознание, по сути дела, находилось еще в начальной стадии своего развития, и это обстоятельство не позволяло проникать глубоко в существо рассматриваемых вопросов. Это относится и к тепловым явлениям.
Как корпускулярная гипотеза, так и теория теплорода, являясь метафизическими, тем не менее содержали рациональное зерно, на что обратил внимание еще Ф. Энгельс, когда сравнивал теорию теплорода с кинетической теорией теплоты: «Гегелевская диалектика так относится к рациональной диалектике, как теория теплорода— к механической теории теплоты, как флогистонная теория— к теории Лавуазье> [1, с. 32]. Рассмотрим истоки и развитие обеих гипотез. Утке говорилось о том, что античные натурфилософы связывали природу теплоты с движением.
К этому же античному периоду восходит и атомистика. Таким образом, есть основания полагать, что корпускулярная гипотеза своими корнями, с одной стороны, связана с эмпирическими наблюдениями о связи теплоты и движения, а с другой — с учением античных атомистов. В отчетливой форме синтез з Эйнштейн А., Ин фельд Л. Эволюция физики. М., 1966, с.
56. 14 этих представлений мы встречаем только в ХЧП в., хотя отдельные высказывания в таком духе можно найти и несколько раньше, например в трудах Д. Кардано. Среди ученых, разделявших взгляды на теплоту как род движения частичек тела, мы находим многих выдающихся представителей науки ХчтП вЂ” ХчтП[ ввл Р.
Декарта, Р. Бойля, Р. Гука, И. и Д. Бернулли, М. В. Ломоносова и др. Одним из первых корпускулярную гипотезу развивал Р. Гук (работавший в то время ассистентом у Бойля), которого современники считали весьма знающим и способным исследователем. Более того, считалось, что Гук своими знаниями превосходил даже Бойля. Это дало повод ряду исследователям — историкам науки считать, что некоторые открытия последнего в действительности были подсказаны Гуком. Так, Райнов пишет, «Знаменитый закон Бойля, как справедливо догадываются теперь некоторые исследователи, получил точное оформление под руководством Гука, который в математике и в ее применениях к физике далеко превосходил своего учителя и патрона» 'в.
Свои взгляды на природу теплоты Гук излагает в многочисленных так называемых кутлеровских лекциях (названных так по имени богатого мецената Кутлера, представившего в распоряжение Лондонского Королевского общества специальный фонд для чтения публичных лекций) и более детально в в своем основном фундаментальном труде «Микрография». Приведем некоторые высказывания Гука из этой работы, опубликованной в Лондоне в 1665 г. «Частицьс всех тел, независимо от их твердости, совершают колебательные движения, доказательством чего, на мой взгллд, является тот факт, что все тела обладают известным количеством тепла и что еще никогда не наблюдали абсолютно холодного тела» [76, р.
263). «Теплота есть не что иное, как быстрое и сильное колебание частиц тела. Если зги частицы настолько отделены друг от друга, что легко движутся по всем направлениям, то тело становится жидким» [72, р. 206). Мы видим, таким образом, что в трудах Гука имелся схематизированный, но принципиально верный взгляд на теплоту как род движения частичек тел. Аналогичные взгляды на природу теплоты высказывали Ньютон ]39] и Гюйгенс ]17].
Оба исследователя рассматривали теплоту как результат колебательного движения частичек тел, подтверждение чему они видели во взаимосвязи тепловых и световых явлений. Вспомним, что эти ученые занимались оптическими проблемами, в частности вопросом природы света. Кроме физиков также некоторые философы выеказывали свою точку зрения на теплоту, рассматривая ее как род движения. Так, Т. Гоббс в «Элементах философии» (1655) писал, что «ггплота и свет представляют простейшие движения частичек средьс» 114]. " В сбз «Научное наследство».
Естественнонаучная серия. Мз 1948, т. 1, с. 686. Таи же си. биографию Гука. 16 Д. Локк в своем произведении «Элементы естественной философии», написанном около 1698 г. (опубликовано в 1720 г.), писал о теплоте следующее: «Тепло представляет собой очень быстрое возбуждение неощутимых частей предмета, вызывающее у нас ощущение, из-за которого мы называем предмет горячим; таким образом, то, что мы ощущаем как тепло, е самом деле является лишь движением.
Об этол говорит образование тепла; тащ например, мы видим, что если потереть металлический гвоздь о доску, то он сделается очень горячим... С другой стороны, максимальная степень холода означает прекращение движения неосязаемых частиц... Тела называются горячими и холодными е зависимости от состояния той части нашего тела, к которой они прикасаются; так что то, что одной частью ощущается как горячее, кажется холодным другой; более того, если человек обеими руками прикоснется к одному и тому же предмету, то одной руке он покажется горячим, а другой — холодным, потому что движение неощутимых частиц е одной из них будет быстрее, чем движение е другой» 127, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
