Кричевский И.Р. Понятия и основы термодинамики (1185131), страница 16
Текст из файла (страница 16)
В завнси- ЕГО раСШИреНИИ ддя ОбНаружсмости от давления воздуха в сосуде В газ в трубке А нагревается до зоззжюма с ния зависимости между теплоеми давление повышается до 1 000ж!0 000 аты. Создатель етого огнива» Ю. Н, Рябинин, КОСТЬЮ ГЗЗЗ И ЕГО ООЪЕМОМ. В 1807 г. Гей-Люссак (ему было тогда 29 лет) поставил свой знаменитый опыт, который оказал большое влияние на развитие термодинамики [6]. Опыт Гей-Люссака «Я взял два баллона с двумя тубусами, каждый баллон емкостью в двенадцать литров. К одному из тубусов каждого баллона был прикреплен кран; в другой тубус каждого баллона был вставлен очень чувствительный спиртовый термометр. Он позволял легко отсчитывать температуру до одной сотой градуса Цельсия.
Чтобы избежать влияния влажности, я поместил в каждый баллон сухой хлористый ~кальций. Вот как производилась подготовка прибора к опыту. Я эвакуировал оба баллона н убеждался в их герметичности. Затем я наполнил один из баллонов газом, с которым я хотел произвести опыт.
Спустя примерно двенадцать часов я соединил баллоны свинцовой трубкой и открыл краны. Газ устремился тогда в эвакуированный баллон, пока не установились равные давления в обоих баллонах. Во время перехода газа менялись показания термометров, тщательно мною отмечаемые» [6]. «Следующая таблица содержит средние результаты шести опытов, которые я провел с Воздухом: Давление воздуха, метры рт. ст... 0,76 0,38 О,!9 Холод, произведенный в баллоне № 1, 'С .............. 0,61 0,34 0,20 Теплота, произведенная в баллоне №2,'С ..........,...
0,68 0,34 0,20 Мне кажется, я имею достаточное право заключить: при пере. ходе воздуха из одного баллона в другой е, равной емкости и эвакуированный, изменения температуры в каждом баллоне равны» [6[. Гей-Люссак провел аналогичные опыты с водородом и двуокисью углерода. Опгяты дали тот же результат: температура газа в баллоне, из которого выходил газ, понижалась, температура газа в баллоне, куда входил газ, повышалась. Понижение температуры в одном баллоне равнялось ее повышению в другом. После смешения обеих масс газа в двух баллонах температура расширенного газа будет равна первоначальной температуре газа, имевшего меньший объем.
Результаты опытов Гей-Люссака находятся, таким образом, в явном противоречии с его исходным предположением. Но ни ГейЛюссак, ни два других выдающихся исследователя, присутствовавших при проведении опыта, Лаплас и Бертолле, не поняли смысла опыта. «Экспериментаторы — ударные войска науки. Они проводят решающие эксперименты, выполняют наиважнейшую работу изме: рений. Эксперимент — это вопрос, который наука ставит природе; измерение — это регистрация ответа природы.
Но до проведения эксперимента он должен быть планирован; до постановки вопроса природе он должен быть формулирован. До использования результата измерения он должен быть объяснен, — ответ природы должен быть правильно понят. Эти две задачи лежат на обязанности теоретика» [81 Прошло еще 35 лет, прежде чем Р. Майер правильно истолковал опыт Гей-Люссака и обосновал тем самым метод вычисления механического эквивалента теплоты *"'. Теплоемкость газов при постоянном давлении Сопоставление опытов Румфорда — Дарвина и Гей-Люссака, казалось, должно было навести исследователей на размышление; почему в первом опыте температура газа понижается при его расширении, а во втором температура [всей массы газа) после его расширения остается постоянной, Но исследователи продолжали придерживаться предположения, что понижение температуры газа в опыте Румфорда — Дарвина вызвано увеличением теплоемкости газа при его расширении; опыт же Гей-Люссака исследователи оставляли без объяснения.
Чтобы экспериментально доказать рост теплоемкости газа при Увеличении его объема, Деларош и Берар [!0] измерили [!8!3 г.) Р "г" " д * Гей-Люссак был сторонником вепгественной теории теплоты. Он н пере. ~ускал газ из одного баллона в другой, чтобы не потерять теплорода с расюнряюпгимся газом !71. (и. к,) ** !50-летний юбилей опыта Гей-Люссака был отмечен повторением опыта с использованием современных измерительных приборов 191. б Заа. язв бб Деларош и Берар впервые получили надежные значения тепло- емкости газов при атмосферном давлении.
Более точные измерения произвел Реньо [111 только спустя 40 лет. Но измеряя теплоемкость воздуха при повышенном давлении, Деларош и Берар ошиблись и поэтому пришли к заключению, что теплоемкость данной массы воздуха увеличивается с увеличением.его объема. «Все знают, что при сжатии воздуха выделяется теплота. Это явление уже давно объяснялось предполагаемым изменением теплоемкости воздуха.
Но это объяснение основывалось на простом предположении, не имевшем прямого подтверждения. Нам кажется, что полученные нами результаты устраняют всякие сомнения, которые можно выдвинуть против этого объяснения» [1О). Только опыты Реньо (1853 г.) доказали, что Деларош и Берар стали жертвами экспериментальной ошибки.
Реньо показал на примере воздуха и водорода, что теплоемкость при постоянном дав. ленни данной массы газа ие зависит от его давления. Но до появления работы Реньо результат, полученный Деларошем и Бераром, внушал недоверие к первому началу термодинамики. Оно требовало, в сочетании с опытом Гей-Люссака, независимости теплоемкости (идеального) газа от его давления (глава ЧП). Работа Делароша и Берара сыграла, однако, не только отрицательную роль в развитии термодинамики. Р. Майер воспользовался полученным ими значением теплоемкостн воздуха прн атмосферном давлении для вычисления механического эквивалента теплоты.
Отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме Блек [12), вводя понятие о теплоемкости тела, не обсуждал вопроса, при каких условиях повышается температура тела при сообщении ему теплоты. Блек молчаливо принимал, что при повышении температуры давление на тело остается постоянным. (Блек рассматривал жидкие и твердые тела.) Но при исследовании теплоемкости газов стало очевидным: теплоемкость газа зависит от того, повышается ли температура газа при постоянном его давлении или при постоянном его объеме.
Поэтому в уравнении (П1,4) необходимо указывать постоянство давления (1Ч, 1) нли постоянство объема (1Ч, 2) и отличать теплоемкость при постоянном давлении Сг от теплоемкости при постоянном объеме С, . Исследователи заинтересовались отношением Сг/Сг в связи с проблемой скорости звука в воздухе. 66 Звуковые волны в воздухе — это периодические сжатие и расширение воздуха в каждой его точке. Вычисление скорости звука является задачей механики. Для решения задачи необходимо знать, как изменяется давление при изменении объема воздуха во время прохождения звуковой волны [13], Ньютон допустил, что при прохождении звука температура воздуха не изменяется. Но первое же точное измерение скорости звука (!738 г.) обнаружило, что уравнение Ньютона дает значение, заниженное на 17%: где и — скорость звуна; о, Р, т — соответственно удельный обьсм, давление и температура воздуха.
«В течение более одного века существовало расхождение между значением скорости звука, измеренным в неоспоримых опытах, и значением скорости звука, вычисленным согласно теории, казавшейся безупречной; этот скандал закончился только тогда, когда заметили, что забыли принять во внимание изменения температуры воздуха, сопровождающие сжатия и расширения при прохождении звука и влияющие на упругие свойства воздуха» [!4]. Работа Лапласа (!816 г.) внесла ясность [15]. Лаплас придер. живался (преимущественно) гипотезы теплорода. По мнению Лапласа, сжатие воздуха при прохождении звуковой волны сопровождается выделением теплоты вследствие уменьшения теплоемкости воздуха. Выделившаяся теплота не успевает рассеяться и повышает температуру воздуха.
Поэтому давление воздуха возрастает больше, чем это следует по закону Бойля, Понижение температуры при расширении воздуха Лаплас объяснял увеличением теплоемкости воздуха. Понижение температуры вызывает большее пониже ние давления, чем это следует по закону Бойля. После ознакомления с главой ЧП читатели сами смогут описать процесс сжатия (расширения) воздуха при прохождении звуковой волны уже иначе, так, чтобы слова соответствовали совре. менному содержанию понятий работы и теплоты. Уравнение Лапласа для скорости звука должно отличаться от уравнения Ньютона только одним: производная дР)ди должна быть вычислена не при постоянной температуре, а для условий адиабатического процесса.
По Лапласу, количество теплоты, содержащейся в теле, не может измениться при адиабатическом процессе. Поэтому следует писать (дР)ди)о вместо (дР)до), у Ньютона. Уравнение Лапласа для скорости звука тогда запишется: ) о(а) Заслуга вычисления производной (дР(ди), принадлежит Пуассону [16, 17]. Обе гипотезы о природе теплоты приводили к заключению, что теплота — свойство системы. Поэтому Пуассон не сомневался в том, что количество теплоты, содержащейся в теле, вполне опреде.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
