Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Эта температуРа на шкале газового термометра характеризуется числом 273,16'. Это же число соответствует тройной точке и по шкале Кельвина. Для последующего развития термодинамики введение абсолютной температуры имело большое значение. В связи с этим необходимо отметить два момента. Во-первых, метод измерения абсолютной температуры, основанный на использовании газового термометра, приводил к прямой пропорциональной зависимости между температурой Т и количеством теплоты Я. Из этого факта сейчас же следовал физический смысл абсолютной температуры 155 как некоторой энергетической характеристики теплового состояния тела. Правда, до работ Клаузиуса по кинетической теории этот смысл еше не был ясен, а скорее еще только нашупывался.
Но в дальнейшем указанное обстоятельство имело немаловажное значение, в частности потому, что позволяло выражать температуру не только в эмпирических градусах, но также и в единицах энергии. Таким образом, введение абсолютной шкалы температур явилось первым шагом на пути к выяснению истинного смысла понятия температуры. Рассматривая развитие взглядов на природу теплоты, мы видели, что, по существу, вопрос этот в теории тепло- рода обходился молчанием. Температура здесь выступала лишь как некая характеристика «уровня теплорода», которую можно было оценить количественно, используя какое-нибудь проявление теплоты, например, ее способность расширять тела при нагревании.
Вопрос о физической сущности температуры в этих условиях даже н не ставился. С созданием и развитием механической теории теплоты вопрос о смысле температуры, естественно, должен был возникнуть вновь. Понятию температуры надлежало дать такое истолкование, которое соответствовало новым воззрениям на сущность теплоты. Температура, определенная по шкале Кельвина, со всей ясностью указывала на ее отношение к воззрению на теплоту как род движения. Во-вторых, с введением абсолютной температуры решался давний вопрос о физическом смысле и числовом значении абсолютного нуля температур.
Мы помним, что многие физики пытались определить «самую низкую степень холода» и указать физический смысл этой температуры. Амонтон, Локк, Ломоносов, Крауфорд, Дальтон, Клеман и Дезорм занимались этим вопросом. Ломоносов ближе всех подошел к физической причине существования абсолютного нуля. Клеман н Дезорм указали на вероятное значение этой температуры по шкале Цельсия, но совершенно не понимали физического смысла абсолютного нуля. С точки же зрения теории Карно самая низкая температура— это температура холодильника, при которой все количество теплоты, подведенной от нагревателя к тепловой машине, превратится целиком в полезную работу. При этом к. п.
д. машины будет равно 100 7ю Численно эта температура будет характеризоваться числом 0 К на шкале Кельвина или на шкале газового термометра числом — 273,16'С. Таким образом получалось, что существование самой низкой температуры в природе являлось не особенностью температурной шкалы, а законом природы, вытекающим в конечном счете из принципа Карно и принципа эквивалентности теплоты и работы. Такое понимание абсолютного нуля температур находилось в полном соответствии и с точкой зрения на теплоту как род движения. Как указывалось выше, Томсон доложил Эдинбургскому Коро- 156 левскому обществу свою работу «Доклад о теории Карно о движущей силе теплоты; с численными результатами, полученными из наблюдений Реньо над водяным паром», которая и была опубликована в трудах этого общества [85, ч. 1, р.
113 — 186]. Основная цель работы — согласовать идеи Карно с результатами опытов Джоуля. Полностью порвать с теорией теплорода Томсон еще не может, поскольку для такого решающего шага, по его мнению, недостаточно фактов. И тем не менее уже здесь намечаются контуры теории, которая спустя два года была в полной мере и убедительно развита в его «Динамической теории теплоты». «Теплота является всепроникающим деятельным началом и все природные тела содержат теплоту» — этими словами Томсон начинает свой «Доклад о теории Карно». Получение механической работы тесно связано со свойстиами теплоты.
Соотношение между ними подобно соотношению между причиной и следствием. Теория Карно поляостью отвечает этому важнейшему философскому принципу. Но теория Карно в полном своем объеме не соответствует некоторым экспериментальным фактам. Поэтому полная теория теплоты, по мнению Томсона, должна дать ответ на следующие два вопроса: «1) Какими основными свойствами должна обладать теплота, чтобы с ее помощью можно было получить работу, и 2) какое количество тепла необходимо затратить для получения определенного количества работы2» [85, ч. 1, р.
114]. В своем «Докладе» Томсон дает ответ на эти вопросы: «В предлагаемой работе я начну с краткого изложения тех соображений Каряо, которые привели его к ответу на первый из поставленных вопросов. Затем я рассмотрю в полном согласии с теорией Карно соображения, необходимые для того, чтобы ответить на второй вопрос. И наконец, в закл[очение я воспользуюсь данными Реньо и рассмотрю полное решение вопроса» [85, ч. 1„ р.
114]. Анализируя теорию Карно, Томсон дает ответ на первый вопрос: для получения работы за счет теплоты необходима разность температур, т. е. должен быть переход тепла от нагретого тела к телу холодному. Такой переход теплоты — ее основное свойство„ и без этого никогда механическая работа получена быть не может. Обращает на себя внимание тот факт, что, в отличие от Карно, Томсон нигде не говорит в своем докладе о «нарушении равновесия теплорода» и так формулирует ответ на поставленный вопрос, чтобы он не был связан с какой-либо гипотезой о природе теплоты.
«Фундаментальная аксиома Карно,— говорит он,— может быть принята в начес~ее наиболее вероятной основы исследований движущей силы теплоты, хотя она, так же как и некоторые другие разделы теории телла, будет в конце концов усовершенствована на других основаниях, когда в нашем распоряжении будет больше данных» [85, ч.
1, р. 115]. Сопоставляя теорию Карно с опытами Джоуля, Томсон, хотя и неуверенно, но все же вынужден признать: 157 «...эти опыты, кажется, опровергают распространенное мнение о том, что теплота может быть получена только от источника, содержащего ее ранее в заметном или скрытом состоянии» [88, ч. 1, р. !171. На пути согласования теории Карно с опытами Джоуля стоят определенные трудности, говорит Томсон: «...может показаться на первый взгляд, что трудностей можно избежать, если вообще отказаться от основной теоремы Карно, на чем упорно настаивает Джоуль... Однако, если встать на такой путь, мы встретимся с другими неисчислимыми трудностями, которые нельзя будет преодолеть без дополнительнык экспери,кентов и коренного пересмотра основных положений теории тепла.
Непротиворечивую теорию тепла, согласующуюся с экспериментальными данными, можно развить путем согласования вновь открытых фактов с основным принципом Карно> 188, ч. 1, р. ! !71. Томсон приходит к выводу о необходимости более углубленного и обстоятельного изучения всего круга вопросов, связанных с теорией Карно, и соотношения между теплотой и работой. Этим вопросам он и посвятил следующие два года своей научной деятельности.
В результате проведенных исследований была полностью согласована теория Карно с принципом эквивалентности теплоты и работы и, как следствие, сформулировано второе начало термодинамики. Однако в открытии второго начала Томсона опередил Клаузиус, пришедший годом раньше к этому открытию и несколько иным путем. Прежде чем перейти к исследованию Клаузиуса, остановимся на одном открытии, непосредственно связанном с идеями Карно. Оно было сделано в 1849 г.
Джемсом Томсоном, старшим братом В. Томсона, и теоретически объяснено В. Томсоном в 1850 г. на основе цикла Карно. Речь идет об открытии зависимости точки замерзания воды от давления. В истории термодинамики это открытие не только вагкно само по себе, но важно также и тем, что его теоретическое обоснование методом цикла Карно показало универсальное значение этого метода, его большую практическую ценность при решении различных задач теории тепла. Джемс Томсон, гражданский инженер в Глазго, был в курсе всех последних исследований, связанных с теорией Карно, в частности тех, которые проводил его младший брат Вильям.
Вскоре после опубликования «Доклада о теории Карно» Вильям в беседе с Джемсом сообщил последнему, что он пришел к заключению, основываясь на теории Карно, что можно превратить воду при 0' в лед с помощью соответствующего давления. Размышляя над этим фактом, Джемс Томсон пришел к следующему заключению: поскольку вода при замерзании расширяется, н при этом совершается работа против внешних снл, то, в свою очередь, возрастание внешнего давления должно привести к понижению точки замерзания воды. Это являлось логическим следствием принципа Карно. Свои соображения по этому вопросу Дж. Томсон изложил в работе «Теоретическое обсуждение эффекта понижения точки замерзания воды под давлением» [85, ч.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
