Кричевский И.Р. Понятия и основы термодинамики (1185131), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Но Джоуль, как и Бернулли, указывает на превращение живой силы механического движения в потенциальную энергию частиц тела (Джоуль говорил о притяжении частиц при их взаимном удалении). «Теплота должна поэтому являться или живой силой, или притяжением через пространство. В первом случае мы можем представить, что частицы нагретого тела находятся, полностью или частично, в состоянии движения. Во втором случае мы можем предположить, что частицы взаимно удаляются при нагревании, так что они притягивают друг друга через пространство.
Я склонен думать, что оправдаются обе эти гипотезы. В некоторых случаях, особенно в случае свободной теплоты, т. е, такой, которая обнаруживается термометром, теплота будет являться живой силой частиц тела, в которых теплота возбуждается. В других же случаях, особенно в случае скрытой теплоты, явления состоят в отделении частицы от частицы, что заставляет их притягиваться одна к другой через большее пространство» (1847 г.) (!61 Джоуль, сто лет снустя после М. В.
Ломоносова, думая, что он характеризует теплоту, характеризует, однако, как и М. В. Ломоносов, другую величину — тепловую энергию тела. Непосредственными предшественниками Джоуля являются Румфорд* и Дэви. Хорошо известны наблюдения Румфорда (1798 г.) над выделением большого количества теплоты 'при сверленин орудийного ствола ** и при трении тупого сверла о дно полого металлического цилиндра.
В первом опыте образовалось много металлической стружки, во втором —.немного металлической пыли. Румфорд ставит вопрос о происхождении теплоты в этих опытах, Не может' ли стружка (пыльу, отделенная от массивного металла, явиться, согласно теории теплорода, источником теплоты. Быть может, стружка (пыль) имеет меньшую удельную теплоемкость, чем массивный металл, и содержит меньшее количество теплоты, чем равная масса массивного металла.
Румфорд произвел измерения и показал равенство удельных теплоемкостей стружки и массивного металла. Отсюда Румфорд делает вывод, ' Об опытах Румфорда с подробными цитатами из его статьи можно прочитать, например, в [18 — 211. В [21] изложены также опыты Дэви с обширными выдержками из его статьи. '* «Ва девять месяцев 1793 г.
франция под руководством Монжа довела производство чугунных пушек с 900 да 13000 в год. Возможность получать в неограниченном количестве теплоту «без Огня», механическим действием, отныне навязывалась физикам на размышление» [22[. 106 что теплота не является веществом. Все последующие, за немногими исключениями, авторы руководств по термодинамике повторяют этот вывод, считая его безупречным.
Авторам, по-внднмому, осталась неизвестной суровая критика, которой В. Томсон подверг (!878 г.) Румфорда за этот вывод ([23), т. 111, стр. !23 — !25). Томсон, вслед за Лавуазье и Лапласом, впрочем без ссылки на них, указывает, что равенство удельных теплоемкостей массивного металла и металлической стружки вовсе не является доказательством равенства количеств теплоты, содержащейся в равных массах металла и стружки.
Металл и стружка могут иметь различные количества скрытой теплоты. Для опровержения последнего допущения Румфорд должен был измерить не теплоемкости массивного металла и металлической стружки, но скрытую теплоту плавления или теплоту растворения массивного металла и металлической стружки в кислоте. Равенство же теплоемкостей массивного металла и металлической стружки не могло опроверг. путь теорию о вещественной природе теплоты. Нет надобности излагать опыты Дэви (!799 г.). Современная критика показала [24, 25[, что постановка опытов Дэви была совершенно неудовлетворительной.
Дэви сообщает о двух опытах. «Один из них, вероятно, вообще не может быть осуществлен; другой так плохо рассчитан, что не в состоянии ничего доказать. Очень нецелесообразно обучать учащихся придавать фундаментальное значение подобным опытам, Лучше знакомить учащихся хоть с грубо выполненными опытами, но могущими быть впоследствии улучшенными» [24).
«Когда мы, обладая современными знаниями, читаем работы Дэви и его современников, нам кажется, что этим физикам оста валось сделать всего лишь один шаг для создания термодинамики. В действительности они были очень далеки от этого. Им не хватало одной идеи. Они должны были ввести в физику вместо представления о молекулярном движении понятие о механической работе*. Она является экспериментально измеряемой величиной» [26). Но замысел опытов Румфорда был правильным и при надлежащей постановке опытов давал возможность измерить количества работы и теплоты в круговом процессе, т.
е. получить все данные, необходимые для. вычисления механического эквивалента теплоты. Так, трение тупого сверла о дно металлического цилиндра надо было осуществить не силой двух лошадей, как в опыте Румфорда, а, например, опускающимся грузом. Надо было обеспечить адиабатичность водяного калориметра, в котором иа. ходился металлический цилиндр. Но после опытов Румфорда и Дэви прошло почти пятьдесят лет, прежде чем Джоуль все это выполнил. ' Введение понятия работы — заслуга трех выдающихся французсяих исследователей: Лазаря Карно (!783 г.), Понселе (1827 г.) и Кориолиса (1828 г.).
(О. К) 107 (Ч1, 17) При повышении температуры объем системы увеличивается: система совершает работу над постоянным внешним давлением. При понижении температуры объем системы уменьшается: постоянное внешнее давление производит работу над системой. В круговом процессе общее количество работы равно нулю вследствие постоянства давления. Действительно, интегрируем уравне.
ние (Ч1, 11) при условии постоянства давления: м РЛЧ (Р; Р, = сопз1) (Ч1, 10) 108 Джоуль провел многочисленные опыты как для доказательства существования механического эквивалента теплоты, так и для нахождения его наиболее точного значения. Здесь же будут описаны только два опыта. В опытах Джоуля система совершала круговой процесс из двух стадий. В первой стадии при адиабатических условиях и при постоянном атмосферном давлении иад системой совершалась работа (груз опускался).
Температура системы при этом повышалась. Во второй стадии система отдавала теплоту другим системам при постоянном внешнем давлении. Температура системы принимала первоначальное значение. Обе стадии и составляли круговой процесс. У Джоуля не было необходимости экспериментально проводить вторую стадию кругового процесса. Теплоемкость при постоянном давлении системы, которая совершала процесс, была известна. Поэтому Джоуль мог вычислить по уравнению (1Ч,1) количество теплоты, которое должна была отдать система, чтобы ее температура приняла первоначальное значение.
Джоуль и осуществлял экспериментально только первую адиабатическую ста-, дию. Но для вычисления механического эквивалента теплоты и доказательства его постоянства был, конечно, необходим круаовой процесс. Опишем теперь один из опытов Джоуля 116). Сосуд с адиабатическими стенками, вода, налитая в сосуд, и вертикальная мешалка, вставленная в сосуд, составляют систему.
Если' присоединить верхний конец мешалки к валу А (см. рис, 7) и дать возможность грузам С опуститься, то над системой будет совершена работа ш. В главе Ч уже говорилось об измерении количества этой работы. Опустившиеся грузы совершили работу в над системой в адиабатических условиях. Температура системы возросла на ц( градусов. При охлаждении системы на ц( градусов она отдаст количество теплоты СР Л1 (Ср — общая теплоемкость системы при постоянном давлении). Механический эквивалент теплоты тогда ра- вен В круговом процессе изменение объема, подобно изменению всякого свойства, равно нулю. Тогда суммарная работа тоже равна нулю '. Джоуль провел другой опыт.
Он заменил воду в сосуде ртутью и получил то же значение механического эквивалента теплоты. Гири первый (!859 г.) измерил нажимом Прони количество работы в опытах, поставленных для определения механического эквивалента теплоты (29[. Полый чугунный цилиндр Т (рис. 10) мог вращаться вокруг своей горизонтальной оси, Внешняя поверхность цилиндра была тщательно отполирована.
Рис 1О. Схема установки Гирна для определения механического эквивалента теплоты. Верхняя половина поверхности цилиндра соприкасалась с бронзовым нажимом Прони Е. Деревянный брус ЕЬ' с подвешенными к нему грузом М и чашкой весов РР прижимал нажим Е к цилиндру Т. Нажим находился в равновесии, когда цилиндр не вра-щался. Чтобы удержать нажим Прони в равновесии при вращении цилиндра в направлении ЙА, на чашку весов РР необходимо было положить груз М'. Паровая машина вращала цилиндр Т. Количество работы, отданное машиной, вычисляли по уравнению (тг, 13). Системой в опыте Гирна являются цилиндр Т и нажим Е. Пропуская через вращающийся цилиндр ток воды, можно поддерживать температуру цилиндра и нажима постоянной (она измеряется термометром д).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
