Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Его труды в втой области сыграли большую роль в установлении закона сохранения энергии. 136 ний системы. Таким образом, в законе Гесса в наглядной форме проявилось фундаментальное свойство внутренней энергии системы — ее независимость от пути перехода системы из одного состояния в другое. Но закон Гесса отражал не только идею сохранения. В нем с полной очевидностью нашла свое выражение и идея превращения «сил». Правда, сам Гесс не подчеркивает эту сторону своего закона. Но именно это имеет в виду, когда говорит о теплоте химической реакции как мере действия химических сил.
На этой основе он сформулировал особое положение о том, что теплота реакции является мерой химического сродства. Он писал по этому поводу: «Чем прочнее образующиеся соединения, тем больше выделяется тепла. Это позволяет надеяться, что точные измерения количеств тепла дадут нам относительную меру сродства и приведут нас к раскрытию его законов» П2, с. 121. Остановимся еще на вопросе об отношении закона Гесса к господствовавшей концепции о природе теплоты. В отличие от своих современников, как правило, придерживающихся либо теории теплорода, либо корпускулярной гипотезы, Гесс не имел четкого представления о природе теплоты, в общем отдавая предпочтение теории теплорода. В какой-то мере он примыкал к взглядам Дальтона, который, как мы помним, рассматривал теплород как дискретный флюид.
Такая позиция привела Гесса к некоторым неверным выводам. Так, он пытался распространить на область термохимии идею кратных отношений, получившую в химии 30-х годов прошлого века широкое распространение. Эта идея явилась следствием той большой роли, которую получил в химии атомизм. Отсюда начало попыток рассматривать теплоту как форму материи, связанной с атомами и, следовательно, подчиненной закону кратных отношений. Подходя с таким предвзятым мнением и к термохимическим исследованиям, Гесс тем не менее пришел к правильным результатам, выражением которых и явился его закон постоянства сумм тепла при химических реакциях.
В этом нет ничего удивительного, если вспомнить, что и другими физиками и химиками были еще раньше Гесса в рамках теории теплорода получены также верные выводы. Дело в том, что и в данном случае мы еще раз убеждаемся, что феноменологический подход к изучаемым явлениям, исключающий модельные представления — проникновение в механизм явления, приводит к правильным результатам вопреки идее о неуничтожимости теплоты. По сути дела, здесь молчаливо подразумевалось превращение химических «сил» в теплоту, т.
е. ее невещественвость. Закон Гесса можно рассматривать как наиболее полное выражение первого начала термодинлмики и вместе с тем как важнейшую веху на пути к формулировке общего принципа сохранения и превращения энергии в период его предыстории. Планк дал следующую оценку термохимическим исследованиям Гесса: 137 «Мысль, что количество теплоты, ог»разующейся в результате ряда последующих химических реакций, не зависит от тога, по какому пути или в какой последовательности происходят отдельные реакции, если только начальное и конечное состояния системы одни и те же, — эта мысль постепенно и без шума внедрилась е теоретическую химшо„, Убеждающая справедливость этого положения происходит вне сомнения от идеи, что теплота не может быть получена из ничего; эта мысль, естественно, опирается на представление о неуничтожимости теплового вещества, хотя она гораздо более общо и независима от этого представления» [45, с. 301.
Итак, в законе Гесса вновь получила свое подтверждение основная идея вещественной теории теплоты — общее количество теплоты остается неизменным во всех тепловых процессах. Экспериментальное подтверждение закона Гесса, казалось, безусловно вновь свидетельствовало в пользу теории теплорода. Трудно было, конечно, ожидать в ХИН в. и в первой половине Х1Х в., чтобы даже гениальный ученый мог додуматься до такой тонкости, как связь процессов поглощения и выделения теплоты с теми условиямк (температурой и давлением), которые имели место в рассматриваемой системе. Мы рассмотрели некоторые исследования, в которых мысль о сохранении и превращении «сил» природы нашла достаточно яркое выражение.
Ближайшая задача состояла в том, чтобы привести все эти разрозненные наблюдения и факты в единую систему н показать, что все они являются лишь частными случаями принципа эквивалентности теплоты и работы, который, в свою очередь, выражал лишь одну сторону общего закона природы: «Сильс суть неразрушимые и качественно способные к превращениям объекты» [85, с. 76] .
Действительно, принцип эквивалентности состарил. содержание первого начала термодинамики. А последнее «есть не что иное, как принцип сохранения энергии в приложении к явлениям, протекающим с выделением или поглощением тепла» [47, с. 46[. Г Л А В А Ч. ОТКРЫТИЕ ПРИНЦИПА ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ ТЕПЛОТЫ И РАБОТЫ— ПЕРВОГО НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ 5 12. Р. Майер и его исследования Общие замечания Выше уже говорилось о том, что идеи о количественной взаимосвязи между теплотой и работой были высказаны некоторыми учеными в конце ХЧ111 и первой половине Х1Х вв. Как мы видели, такие идеи содержались в трудах Румфорда, С. Карпо, Сэгена и некоторых других авторов. Но только к 40-м годам Х1Х в. физикам, обладавшим широким кругозором и критическим мышлением, стало достаточно ясно, что указанная идея не является лишь плодом досужих размышлений, а действительно вытекает из совокупности всех экспериментальных фактов, накопившихся за полуторастолетний период развития учения о теплоте.
138 Открытие механического эквивалента теплоты как экспериментальной основы принципа эквивалентности теплоты и работы явилось, по существу, завершением синтеза двух направлений развития классической физики за указанный период. Одно направление вело свое начало от спора о двух мерах движения, через эволюцию лейбницевой «живой силы», к понятию энергии и через идею о количественном постоянстве «силв природы.
Второе же направление развития классической физики связано с борьбой корпускулярных представлений о природе теплоты, против теории теплорода и в конечном счете — с превращением корпускулярной гипотезы в молекулярно-кинетическую теорию теплоты. Именно поэтому открытие механического эквивалента теплоты сказалось самым непосредственным образом как на развитии феноменологического направления в учении о теплоте, так и на молекулярно-кинетическом направлении: оба эти направления отныне стали развиваться на строго научном фундаменте экспериментальных фактов, исключавшем какие бы то ни было спекулятивные догадки и гипотезы. Открытие механического эквивалента теплоты в первую очередь связано с именами Роберта Майера и Джемса Джоуля, пришедших к этому открытию разными путями.
Исследования Р. Майера о взаимном превращении «сил». Вычисление механического эквивалента теплоты Основная работа Майера, в которой он подробно и систематически развил свои идеи, была опубликована в 1845 г. и называлась «Органическое движение в его связи с обменом веществ». Не останавливаясь на эволюции идей Майера (см. [101), отметим главное.
Основное его допущение состоит в том, что Майер Юлиус Роберт (1814 †18) Немецкий врач. Родился в Гейльброне (Германия). Образование получил в Тюбингенском университете, затем учился в Мюнхене н Вене. Служил судовым врачом, одновременно занимаясь научными исследованиями. С 1842 по 1848 г. опубликовал основные работы, в которых развивались идеи о механическом эквиваленте теплоты, давался способ его вычисления с помощью полученного им «уравнения Майера», а также развивались обшие соображения о законе сохранения и превраще- ния энергии. В истории термодинамики он остался как автор основных идей, лежаших в основе пер- вого начала термодинамики. «при всех химических и физических процессах данная сила остается постоянной величиной: независимо от того, переходит ли сила падения в движение или движение в силу падения, данная сила, или механический эффект, остается постоянной величиной.
Этот закон — специальное приложение аксиомы о неразрушимости силы — вводится в механике под именем принципа сохранения живых силь [31, с. 97). Так как, согласно Майеру, «теплота — это сила» и «теплота и движение превращаются друг е друга», то задача заключается в том, чтобы определить, сколько требуется работы для получения определенного количества теплоты, и наоборот. Еще в 1841 — 1842 гг. Майер, правильно поняв сущность опыта Гей-Люссака о расширении газа в пустоту и пользуясь данными Делароша и Берара о теплоемкостях воздуха, нашел величину количественного отношения между работой и теплотой (механический эквивалент теплоты), которое оказалось равным 365 кгс м/икал.
Этот результат Майер в то время не опубликовал и сообщил о нем в письме к своему другу Бауру. Разбирая превращение тепла в «механический эффект» на примере локомотива, Майер отмечает, что количество тепла, взятое от паров, больше того количества, которое выделяется при сгущении паров, причем разница этих количеств теплоты соответствует полученному «механическому эффекту». Майер правильно увидел связь между результатом опыта Гей-Люссака и вопросом о том, почему «уголь дает меньшее количество тепла, когда машина работает, чем когда она бездействует». Без понимания сущности опыта Гей-Люссака Майер, конечно, не смог бы вычислить механический эквивалент теплоты.
Вот что он писал по поводу этого опыта: «Гей-Люссак доказал посредством экспериментое, что упругая жидкость, переливающаяся из баллона в равнььй ему по величине и лишенный воздуха резервуар, охлаждается в первом сосуде ровно на столько градусов, на сколько она нагревается во втором сосуде, Этот характерный своей простотой опыт, которььй и у других исследователей всегда давал совершенно такой же результат, показывает, что данный вес и объем упругой жидкости может расшириться до удвоенного, учетверенного, во много раз большего объема, не ислььтывая в целом никакого температурного изменения; другими словами, он показывает, что для расширения газа самого по себе не требуется никакой эатратьь телла.
Но равным образом констатировпн и тот факт, что газ, расширяющийся под известным давлением, испьпывает понижение температурыь [31, с. !00) ьь. Для вычисления механического эквивалента теплоты необходим такой процесс, в котором кроме взаимопревращения теплоты н работы, ничего другого бы не происходило. Только в этом случае отношение АЯ будет в точности равно механическому эквиваленту. Видимо, интуитивно Майер понял, что это условие выполняется при нагревании газа и совершении им при этом работы против внешних сил. " Отметим в связи с этим, что после обоснования принципа эквивалентности стило ясно, что из опыта Гсй-Люссакз следует важный вывод дяя термодинамики идеального газа: внутренняя энергия идеального газа не зависит от его объема (давления) и является функцией только температуры.
140 Предложенный впервые Майером метод вычисления механи- ческого эквивалента теплоты сводится к следующему. Принимая коэффициент объемного расширения газов равным 1/274, легко показать, что при нагревании от 0 до 274'С при неизменном объе- ме, предоставив единице объема газа расширяться в пустоту (т. е. в пустой сосуд равного объема), получим удвоенный объем газа. Для этого потребуется определенное количество теплоты. Если же газ нагревается в тех же температурных пределах (от 0 до 274') при постоянном давлении, то объем также удвоится, но количество поглощенного тепла будет больше.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
