Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Для окончательного решения вопроса о том, каков характер распределения теплоты между различными телами, нагреваемыми на одно и то же число градусов, Блэк совместно со своим учеником и ассистентом Вильямом Ирвином провел в течение нескольких лет (1763 — 1770) большое число экспериментов в Глазго и Эдинбурге. Этот вопрос они изучали также.и независимо один от другого.
Эксперименты окончательно убедили Блэка в том, что каждое тело должно обладать своей собственной «емкостью по отношению к теплоте> (сарасШез о1 Ьос)!ез )ог Ьеа1). Следует сказать, что Блэк и Ирвин для обозначения понятия «теплоемкость» первоначально применяли другие выражения, как, например, «аЬВпйу 1ог Ьеа(», «)асц11у 1ог гесес!пд Ьеа1», <арро- 1!1е 1ог Ьеа1», пока наконец не остановились на сарас11у 1ог Ьеа1» (64, р.
26 — 27]. Этот термин, предложенный Блэком, получил широкое распространение к концу ХЧП1 в. В физической литературе начала Х1Х в. понятие «теплоемкость» употреблялось всеми физиками, писавшими о теплоте. Во французской литературе это понятие обозначалось как сарае!1е роцг 1а са!ог!с)це. Что касается термина «удельная теплоемкость», то, по-видимому, его впервые применил финский химик Гадолин в своей работе «Опыты и размышления относительно абсолютной теплоты тел», опубликованной в 1784 г. в трудах Шведского Королевского общества ". В этой работе Гадолин, в частности, пишет: «Уже давно известно, что при разложении и соединении тел возникает теплота. Отсюда можно заключить, что в каждом теле содержится определенное количество теплотьи связанное с этим телом,.
д последнее время найдены отношения между количествами теплоты, которые поглощают различные тела заданного веса при нагревании их до одинаковых температур. Это отношение называют удельной теплоемкостью !эре!Узене шагте). При этом указанное отношение почти постоянно, если данное тело сохраняет свое состояние неизменным... Удельная теплоемкость воэдухообразных веществ превосходит удельную теплоемкость жидких тел; твердые же тела имеют наименьшую теплоемкостьь [73, 3. !16). По поводу открытия Блэком теплоемкости Робайсон в своих комментариях пишет: «Кажется странным, что многие ученьсе, занимавшиеся вопросами теплоты, не увидели, что тела, нагретые до одной и той же температуры, содержат различные количества " Смл т а»те е! 3 11Ьеттпа и и.
месЬетсЬез зит !еа !гизи!!!еэ с!е сЬа!еит. Аппа!еа йе сыппе е! йе рЬЬуз!Чпе, !832, !. 34!3), р. 337. " Смл О а й о!! п !. !У!эзепзсьа!!!!сье АЬЬапй!ипдеп. Не!з!пя!отз, !9!О. 32 теплоты» [64, р. 503]. Это действительно кажется странным, если вспомнить, как близко к понятию теплоемкости подошел Рихман. Все лекции Блэка пронизаны идеей о вещественной природе теплоты. Это кажется ему само собой разумеющимся, и поэтому подробного обсуждения вопроса о том, что такое теплота, мы там не находим.
Приведем лишь одно его высказывание на этот счет: «Многие немецкие и французские философы придерживаются мнения, что теплота — это колебательное движение частичек среды. Однако более вероятной является та точка зрения, согласно которой теплота — это род материи, состоящей из частичек, отталкивающихся друг от друга» 164, р. 510]. Опыты, подобные тем, которые производил Блэк, ставил также шведский физик Вильке независимо от своего английского коллеги 'ь. Стимулом к этому, согласно Робайсону, послужила беседа Вильке с неким шведом, который присутствова,т на лекциях Блэка в 1772 г. Вильке заинтересовался полученными сведениями и решил сам провести подобные эксперименты.
Он пользовался при этом калориметрическим методом Рихмана и его формулой для вычисления температуры смеси. Вильке нагревал испытуемое тело, затем погружал его в холодную воду и определял при этом повышение температуры воды. Затем по калориметрической формуле Рихмана он вычислял то количество воды, которое, имея температуру тела, давало наблюдаемый на опыте эффект. Таким образом, Вильке находил отношение между теплоемкостями воды и данного испытываемого тела.
Однако, если, сдругой стороны, принять удельную теплоемкость воды равной единице, как это делал Вильке, то из расчета получалась величина удельной теплоемкости испытываемого тела. Труды Вильке способствовали распространению правильных представлений о физическом смысле калориметрических понятий. Среди ученых, занимавшихся изучением распределения теплоты в телах и способствовавших выработке представления о тепло- емкости тел, следует упомянуть английского врача А. Крауфорда. В его сочинении «Опыты и наблюдения над животной теплотой и воспламенением горючих тел» (1779) описано большое число тщательно проделанных экспериментов по определению теплоемкостей различных тел. Между прочим, в этой работе Крауфорда впервые после Ломоносова говорится о существовании абсолютного нуля температур: «Каждое тело,— писал Крауфорд,— содержит в себе известное количество теплоты.
Если бы оно могло отдать ее, то само охладилось бы до абсолютного нуля. По моим подсчетам, эта температура лежит ниже точки замерзания воды на 1532'»е'. Крауфорд был одним из первых ученых, рассказавших европейским физикам об исследованиях Блэка. ю Об опытах Вильке подробно см. у Роэенбергера, К, Майер и Роллера. " Сга и1ог б.
Ехрепепсеа апб оЪэегчапопэ оп апина! Ьеа1 апб !ппапппа11оп о1 согаЬиэнще Ьощеэ, 1.опбоп, !779, р. 16. Я Ы. Гельфер 33 Выше говорилось о том, что уже в ХьтП в. ряд ученых (Гюйгенс, Галлей, Ренальдини и др.) знали о постоянстве точек кипения воды и плавления льда. Однако природа этого явления оставалась загадочной как для упомянутых ученых, так и для тех, кто рассматривал эти явления в первой половине ХЪ'П1 в. Блэк и Вильке были первыми учеными, раскрывшими тайну загадочных явлений. Процессами плавления и кипения Блэк заинтересовался около 1757 г. в связи с опытами Куллена, показавшего экспериментально, что температура жидкости понижается при испарении, если к ней нет в это время достаточного притока теплоты. Для этой цели Куллен помешал под колокол воздушного насоса открытый сосуд с эфиром, при испарении которого находящиеся на стенках сосуда водяные капли замерзали.
Куллен обратил также внимание на то, что горячий пар, попав на руку, вызывает значительно сильнее ожог, чем кипящая вода. Любопытно отметить, что об этом факте знал еще Аристотель, который писал в своей «Физике», что «пар теплее воды, ибо содержит в себе еще и тот огонь, который возгоиял его вверх» тз. Приступая к своим исследованиям процесса плавления льда, Блэк уже был уверен в том, что господствовавшая в науке точка зрения по этому вопросу неверна. И здесь, так же как и при изучении распределения теплоты в телах, он подходил к исследуемым проблемам без предвзятых мнений, имея свою определенную точку зрения, зачастую не совпадавшую с общепринятой.
До работ Блэка было распространено мнение, что для расплавления тела, предварительно нагретого до точки плавления, необходимо подвести к телу незначительное количество теплоты. Блэк придерживался другого мнения, справедливо полагая, что если бы это было так, то «тогда вся масса льда должна была бы растаять в несколько минут или секунд, так как теплота из воздуха непрерывно передается льду. Но тогда бы последствия этого были ужасны, так как и при существующем положении возникают большие наводнения и сильные потоки воды при таянии больших масс льда или снега» (64, р.
1411. Еще в 1754 — 1755 гг. Блэк особое внимание обращает на тот факт, что лед не только плавится при неизменной температуре, но что термометр показывает нуль до тех пор, пока весь лед не растает. Желая изучить этот вопрос количественно, Блэк обращается к хорошо известной ему калориметрической формуле Рихмана и пытается вычислить среднюю температуру смеси воды со льдом. В одном из своих экспериментов он в сосуд с водой, имеющей температуру 172 'Р (56'С), помещал такое же по массе количество льда при температуре 32'Р (О'С). Согласно формуле Рихмана, получалась средняя температура смеси, равная 102'Р (28'С), в то время как термометр показывал только 32'Р, т. е. температура льда, но при этом весь лед превращался в воду. Блэк провел большое количество подобных экспериментов, но результат всегда был один г' А р и с т о т е я ь.
Физика. М., ! 936, с. 197. 34 и тот же. На основании этого он пришел к твердому убеждению о существовании особого вида теплоты. на катаную раньше не обращали внимания благодаря ее скрытым свойствам. Эту теплоту Блэк назвал скрытой теплотой (!а1еп! [теа1).
В !762 г. он рассказывает об этих экспериментах на одном из заседаний философского клуба в Глазго, а затем и в своих лекциях, давая им следующее объяснение; «Тающий лед принимает в себя много теплоты, но все действие ее ограничивается лишь превращением льда в воду, которая нисколько не теплее, чем лед, из которого она образовалась. Следовательно, некоторое количество теплорода, переходящего в тающий лед, идет на превращение льда в жидкость беэ какого-либо заметного повышения температуры последней.
При этом тепло как бы поглощается водо»о или скрывается в ней таким образом, что термометр не обнаруживает его присутствия., Теплота не исчезает ни при плавлении льда, ни при испарении воды, но переходит в другое, невидимое состояние; из этого невидимого состояния ее можно вновь превратить в обыкновенную теплоту, заставляя воду замерзнуть или пар сгуститься в воду» [64, р. 14Ц. Обстоятельное изучение процесса парообразования и кипения Блэк и Ирвин провели в Глазго в 1764 г. Кроме своих экспериментов Блэк также проанализировал и опыты своего друга Д.
Уатта, который изучал теплоту испарения жидкостей. Блэк обратил внимание, что при кипении воды ее температура не повышалась (64, р. 173]. В результате своих размышлений по этому вопросу он пришел к выводу, что пар можно представить как соединение жидкости с теплородом. Тогда при кипении жидкости весь теплород, который к ней присоединяется в процессе нагревания, переходит в скрытое состояние и в таком виде перестает действовать на термометр. Образуется новое вещество — пар. При конденсации пара, когда он превращается в воду, теплород вновь выделяется в свободном состоянии. Блэк сделал попытку вычислить количество «скрытого теплорода», содержащегося в единице массы пара: оказалось, что этим количеством теплорода можно нагреть 445 кг воды, взятой при 0', на 1'. Блэк также вычислил теплоту плавления льда, сравнивая при этом время нагревания одинаковых масс воды и льда, взятых при 0'.
Он нашел, что теплота плавления льда равна 80 единицам теплоты. Такое же количество теплоты выделяется на каждую единицу массы замерзающей воды. В ряду исследований, связанных с открытием скрытой теплоты, заслуживают упоминания опыты Вильке и французского физика 7К. Делюка, которые проводились ими независимо от Блэка. Хотя Вильке и Делюк проводили свои исследования почти в одно и то же время со своим английским коллегой и пришли практически к тем же результатам, они не оспаривали приоритет Блэка. В подтверждение этого можно привести высказывание Делюка, приводимое Робайсоном в примечаниях к «Лекциям»:«Д-р Блэк бьсл первый, кто попытался измерить количество теплоты, поглощаемое льдом в процессе его плавления» [64, р.
527] . Вильке подобно Блэку исследовал температуру смеси воды и льда. Проверяя формулу Рихмана для смеси горячей и холод- 3» 36 ной воды, он нашел соответствие между вычисленной температурой и показанием термометра. Однако для смеси воды и льда такого соответствия не получалось. Разницу между вычисленной и измеренной в этом случае температурами (по Вильке, теплотами) он называл «потерей теплоты». В своем сочинении «О холоде снега при таянии» (1772) Вильке писал, что «снег, притягивая теплоту, разрушает ее, не становясь от этого теплее, а делаясь только жидким», «Потеря тепла» идет только на таяние снега, причем образуется вода, температура которой одинакова с температурой тающего льда. По смыслу найденная шведским физиком «потеря теплоты» тождественна скрытой теплоте Блэка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
