Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 71
Текст из файла (страница 71)
Она не встретила не только сочувствия и понимания, но была охарактеризована как «пустая, если не бессмысленная», и основанная на «чисто гипотетических принципах». Естественно, что опубликована она не была и только спустя почти 50 лет Рэлей обнаружил ее в архиве Королевского общества и в 1892 г. опубликовал со своими примечаниями '. Обзор развития молекулярно-кинетической теории газов мы и начнем с краткого обзора этой работы Уотерстона. Согласно Уотерстону, тела состоят из мельчайших частиц— молекул, находящихся в непрерывном движении. Это движение и обусловливает теплоту тел. Характер молекулярного движения зависит от агрегатного состояния тела. У твердых тел молекулы колеблются около некоторого положения равновесия.
В газах же они движутся поступательно. Принципиально новым моментом теории Уотерстона по сравнению со старой корпускулярной гипотезой является представление молекул в виде абсолютно твердых упругих шариков. Это чисто механическая модель молекулы сыграла в последующей истории развития молекулярно-кинетической теории газов большую роль.
Говорят, что к идее этой модели Уотерстон пришел, наблюдая за биллиардными шарами. Увлечение этой игрой подсказало ему также и мысль о столкновениях молекул. Любопытно замечание по этому поводу Коулсона, который пишет: «Начальное развитие научных идей (хотя и не обязательно их окончательный вид) обязано ненаучным факторам большим, чем зто обычно полагают. Было как-то сказано по одному поводу, я еоворю о лорде Релее, что если бы Максвелл, Клаузиус и другие такисе были фанатиками бильярда, мы были бы свидетелями более быстрого прогресса на ранней стадиа развития теории» г. ' РШ1озоркйса1 Ттапззс11опз, (А), 1892, ч. !ЗЗ, р.
1. 262 Может быть, автор этого замечания и прав, если вспомнить, что, например, развитие теории удара во многом обязано увлечению биллиардом Кориолиса. Для количественных вычислений Уотерстон рассматривает упругий удар совокупности молекул-шариков о горизонтально расположенную поверхность (плиту). Путем несложных расчетов он находит выражение для давления (упругости) газа, которое оказывается пропорциональным плотности газа и живой силе его молекул. Он показывает, что следствием этой зависимости является, в частности, закон Бойля — Мариотта.
В своей работе Уотерстон затронул и другие вопросы кинетической теории газов, получив в некоторых случаях также верные результаты: температура газа связывалась со средней кинетической энергией молекул, рассматривались явления диффузии и теплопроводности, расчет скоростей молекул. «Фактически все основные идеи кинетической теории на первой стадии ее развития (эа исключением максвелловского распределения по скоростям) уже содержались в этой работе»э.
И вот такая замечательная работа была похоронена в архиве. Б. И. Спасский в своей «Истории физики> справедливо отмечает, что исследование Уотерстона противоречило «и установленным физическим представлениям, и укоренившимся методологическим принципам. Ведь тогда еще считалось общепризнанным, что теплота есть «невесомая материях, а с другой стороны, еще были сильны традиции ньютонианской физики, запрещающей «измышление гипотез»'. В ряду работ начального периода развития молекулярно-кинетической теории газов следует упомянуть и рассмотренную выше работу Ранкина «О вихревой теории упругости с приложением к теории газов и паров». Ряд исследований по молекулярно-кинетической теории газов, появившихся после указанного открытия, начинается работой Джоуля «Некоторые замечания о теплоте и строении упругих жидкостей» (41, с.
311. Экспериментальные исследования английского физика, завершившиеся открытием механического эквивалента теплоты, естественно, не могли не привести его к важным теоретическим заключениям относительно природы теплоты. И действительно, еще в 1848 г. Джоуль прочитал перед членами Манчестерского философского общества доклад, в котором изложил свои взгляды на природу теплоты и физические свойства газов. Именно этот доклад и составил содержание упомянутой выше его работы, которая по предложению Клаузиуса позже была перепечатана в «РЫ!озор)т(са! Тгапзас((опз». ' К о у л с о н- К. Межатомные силы — от Максвелла до Шредингера.— УФН, !963, т.
81, в. 3, с. 545. ' М о к т р о л л Э. К столетию статистической механики.— УФН, 1965, т 87, в. 2, с. 342. Б этой работе приведены краткие биографические сведения об Уотерстоие. ' Спасский Б. И. История физики, ч. 11, с. 44. 263 Вше Герапат в 182! г., приняв гипотезу о молекулах как упругих шариках, движущихся прямолинейно, пытался построить на этой основе кинетическую теорию газа. Но ему это не удалосьь. Приняв гипотезу Герапата в качестве наиболее вероятной, Джоуль поставил перед собой задачу вычислить давление газа на стенку сосуда, в котором он находится. В основу расчета Джоуль положил следующие допущения: а) движение каждой молекулы происходит с постоянной скоростью, пока она не столкнется со стенкой сосуда; б) удар молекулы о стенку является абсолютно упругим.
Для простоты расчета рассматривался сосуд кубической формы, причем совокупность всех движущихся молекул разделялась на три потока, перемещающихся соответственно во взаимно перпендикулярных направ. лениях между каждой парой противоположных граней сосуда. Этот ставший классическим прием Джоуля применяется и в настоящее время при расчете давления в элементарной кинетической теории газов. Расчет привел Джоуля к фундаментальным представлениям о связи между полной «живой силой» всех молекул («теплотой газа»), давлением и температурой. Эти величины оказались связанными между собой пропорциональной зависимостью: «так как давление газа возрастает с температурой в арифметической прогрессии и так как давление пропорционально квадрату скорости частиц или, другими словами ик Ыз ч!ча («сивой силе), го отсюда следует, что абсолюгнал температура, давление и чм чита пропорциональны друг другу» (41, с.
37). Здесь же Джоуль вычисляет и среднюю скорость молекул газа (водорода), которая оказалась равной 6225 фут/с (1850 м/с). Далее он показывает, что теплоемкость газа, согласно кинетическим представлениям, «выражается общей суммой ч!3 чгуа при данной температуре, Однако при попытке вычислить эту теплоемкость он столкнулся с затруднением, которого преодолеть не смог.
В основу этого вычисления он положил гипотезу Герапата, полагая, что тепло- емкость газа должна слагаться только из «живых сил» поступательно движущихся молекул газа. Вычисленная таким образом теплоемкость оказалась значительно меньше найденной экспериментально. Так, удельная теплоемкость водорода, по наиболее точным данным Делароша и Берара, равнялась 2,362 кал/(г град), в то время как теория приводила к значению 1,606 кал/ (г град). Большие расхождения получались и для других газов. Опубликованные позже новые данные о теплоемкостях газов Реньо также не принесли успеха теории Джоуля.
Попытки найти какое-либо удовлетворительное теоретическое объяснение этим расхождениям успеха не имели. Казалось бы, трудности теории непреодолимы. ь Подробнее сил Вгизс)г 3. О. Тпе дече!оргаеп! о! 1ое К!пенс Шеогу о1 козе», 1. Сгегара!!г. Ви1!. Вгп. $ос. Н!з!огу Вс!епсе, 1937, 13/2, 13/18. 264 Между тем Джоуль был глубоко убежден в правильности новой, динамической, как он ее называл, теории тепла. Поэтому причину неувязки теории с экспериментом он видел в несовершенстве экспериментальных определений теплоемкостей газов: «Экспериментальные данные Делароша и Берара,— писал Джоуль,— неизменно вьгше величин, требуемых гипотезой.
Следует, однако, иметь в виду, что хотя опытные исследования Делароша и Берара и считаются лучшими иэ всех, проведенных до сих пор, они сильно отличаготся от исследований других ученых. Однако я уверен, что исследования, предпринятьге м-ром Реньо для гуранцузского правительства, охватят и важную проблему о теплоемкости тел и что мьь можем в скором времени ожидать новой серии определений удельных теплот газов, отличающихся всей той точностью, какой вполне заслуженно прославился этот замечательный исследователь. А до этого времени было бы, пожалуй, лучше воздержаться от каких-либо дальнейших видоизменений динамической теории, с помои<ею которых ее выводы могли бы бььть приведены в более полное согласие с данными опытаэ [41, с.
38[. Однако здесь Джоуль оказался не прав, поскольку причина расхождений именно и заключалась в несовершенстве динамической теории, в ее упрощенном представлении о характере движения многоатомных молекул. Почти одновременно с исследованием Джоуля приват-доцент Гейдельбергского университета в Германии Л. Вильгельми опубликовал работу «Опыт математико-физической теории теплоты», которая интересна тем, что в ней впервые систематически приводится представление о взаимодействии молекул.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
