Вопрос 12

ЭКСПЕР. ОБОСНОВАНИЯ МКТ

Молекулярно-кинетическая теория, описывающая тепловые явления, объединила несколько направлений физических исследований - атомизм и учение о теплоте. В пропаганде атомизма существенную роль сыграл Пьер Гассенди — французский философ и ученый, был профессором теологии университета в Дине, философии — в Эксе и математики — в Париже. Физические исследования П.Гассенди относятся к атомистике, теплоте, оптике, акустике. Он — один из основателей корпускулярной теории света. П. Гассенди считал, что все сущее состоит из атомов, обладаю­щих естественным стремлением к движению. Кроме них в приро­де существует также пустота, в которой движутся атомы. Простран­ство бесконечно, несотворимо и неуничтожимо. На атомистических позициях стояли Р.Гук, X. Гюйгенс, И.Ньютон. Гипотеза о теплоте как о форме движения частиц представлялась им вполне разумной. Но эти представления носили качественный характер и питались весьма скудным экспериментальным материалом физики XVII в., с ее помощью не удавалось предсказать какие-либо эф­фекты. В физике в XVII в. господствовал эмпирический метод. Физи­ческое мышление требовало наличия разнообразных субстанций, отвечающих за те или иные свойства (тепловых, электриче­ских, магнитных, световых). При этом ученых не смущали их совершенно фантастические качества: всепроницаемость, невесомость и т. п. В теории теплоты воцарился теплород — невесомая тепловая жидкость, количество которой в данном теле опреде­ляло его тепловые свойства. В XVII в. электриче­ские, тепловые и др. явления научились измерять. В XVIII в. знания о тепловых эффектах стали более полными, и теория теплорода перестала удовлетворять ученых. Впрочем, это касалось не всех. Михаил Васильевич Ломоносов занимался оптикой, химией, горным делом, изготовлением фар­фора и смальты, философией, физикой, был филологом, госу­дарственным деятелем и т.д.Вклад М. В.Ломоносова в уче­ние о теплоте заключается в гипотезе о том, что теплота есть вращательное движение нечувствительных час­тиц. Отсюда следствия: нечувствительные частицы (корпускулы) шарообразны; чем быстрее вращаются ча­стицы, тем больше теплота; частицы в горячих телах вращаются быстрее, чем в холодных; горячие тела охлаждаются при сопри­косновении с холодными и наоборот.Вся работа Ломоносова представляет собой набросок будущей термоди­намики. М.В.Ломоносов объясняет происхождение теплоты при трении. Он говорит, что поскольку верхнего предела скорости частиц нет, то нет и верхнего предела температуры. М.В.Ломоносов включает в свою «термодинамику» и теп­ловое излучение через посредство мирового эфира.

А.Л.Лавуазье и П.Ла­плас сконструировали ледяной калориметр и определили удель­ные теплоемкости, теплотворную способность, теплоту фазовых переходов целого ряда веществ, т.е. тепло стало объектом экспе­риментального изучения.Джозеф Блэк ввел понятия «теплоемкость», «удельная теплоемкость», «скрытая теплота плавле­ния». Однако сама единица теплоты (калория) родилась позднее.В основу молекулярно-кинетической теории (МКТ) легло учение о теплоте. В первой четверти XVIII в. основное внимание ученых занимала термометрия. Г. Д. Фаренгейт изготовил спиртовые и ртутные термометры. Для их калибровки он взял две реперные точки — температуру кипения воды t = 212° и температуру ее замерзания t = 32°. При этом за нуль Фаренгейт принял точку замерзания смеси воды, льда и нашатыря. Р.А. Ф.Реомюр предложил термометр, где точка замерзания воды считалась нулем. Пользуясь в качестве рабочего тела 80 %-ным спиртом, а потом ртутью, он в качестве второй точки принял точку кипения воды 80°. Проверил данные Реомюра шведский астроном Л. Цельсий. Он нашел, что температура кипения воды зависит от ее давления. Поэтому точку кипения он принял за 0°, а замерзания — за 100°. Шведский ученый-биолог Карл Линней, воспользовавшись термометром Цельсия и «поменяв» пределы, установил точку кипения воды за 100°, а ее замерзания — за 0°. Поэтому термометр Цельсия является по сути термометром Линнея. Были и другие температурные шкалы, например шкала Делиля (150—0°).Во времена Ломоносова самой низкой считалась точка замерзания ртути. Высокие температуры получались с помощью специально изготовленных линз: между двумя вогнуто-выпуклыми стеклами заливался спирт. Фокусируя с помощью этой линзы солнечные лучи, Лавуазье удалось сжечь алмаз, расплавить медь, цинк, золото. При этом температу­ра не измерялась.

В настоящее время в земных условиях самая низкая тем­пература ~10^-9К (размагничивание ядер­ных спинов), наивысшая — ~ 10⁸ К (температура плазмы в уста­новке Токамак).Лавуазье и Лаплас выполнили первые успешные опыты по те­пловому расширению тел, причем были получены количественные результаты - коэф­фициенты теплового расширения разных материалов: сте­кол, металлов и т.п. Теоретическая физика все больше завоевывала пози­ции во всех разделах физики, исключая учение о теплоте. Здесь все еще шло накопление фактов, разрабатывались методы определения тех или иных величин: коэффициентов расширения, теплопроводности и т. п., что было свя­зано прежде всего с требованиями техники. Пар вовсю работал на фабриках и заводах, на флоте и железных доро­гах. Паровая машина была двигателем капиталистического прогресса в XIX в.Анри Виктор Реньо, получив от правительства средства, организовал хорошо оснащенную лабораторию для термодинамических исследований (термометры, барометры и др., а также паровой машиной мощностью 4 л. с.). Эксперименты, проводимые в ней, касались в основном опре­деления скрытой теплоты плавления и парообразования разных веществ. Жан Ба­тист Жозеф Фурье создал работу, представляющую собой теорию теплопроводности. Вывел дифференциальные уравнения теплопроводности, разработал ме­тоды его интегрирования для заданных граничных условий для ряда частных случаев. Фурье прославился также своими математи­ческими работами в области тригонометрических рядов (рядов Фурье).Сади Карно, исходя из невозможности построения вечного дви­гателя, показал, что полезную работу можно получить, лишь, когда тепло переходит от более нагретого тела к менее на­гретому (второе начало термодинамики). Только разность температур определяет коэффициент полезного действия теплового двигателя, рабочее же тело не играет никакой роли (теорема Карно). С.Карно ввел термины: «Идеальная теп­ловая машина», «Идеальный цикл», «Об­ратимость процесса» и т. п. Однако главное — это все-таки идея о необходимости перепада температур, которая лежит в основе второго начала термодинамики.

Французский физик Бенуа Клапейрон привлек внима­ние научной общественности к работам Карно. Бла­годаря Клапейрону идеи Карно стали известны и послужили основой класси­ческой термодинамики в работах У. Томсона (Кельвина), Р. Клаузиуса и других ученых.

Биографии ученых — исследователей теплоты

Михаил Васильевич Ломоносов родился в д. Денисовка Архангельской губернии (ныне Ломоносово). Юношей он попал в Москву, учился в Славяно-греко-латинской академии. Затем был отправлен за границу обучаться горному делу. По возвращении М.В.Ломоносов был избран адъюнктом, а затем академиком Петербургской академии наук. Ученый внес значительный вклад в развитие химии, химической технологии, мине­ралогии, географии, геологии, астро­номии. Он был к тому же выдающимся поэтом, основателем современной рус­ской системы стихосложения, художни­ком, философом, историком, экономи­стом, государственным деятелем и про­светителем.Немалую лепту внес Ломоносов в развитие российской физики. Он был сторонником волновой теории света. Есть у него заслуги и в астрономии, в частности он открыл атмосферу Венеры, наблюдая ее прохождение через диск Солнца. Одна­ко центральное место в деятельности Ломоносова занимали исследования в области атомисти­ки и кинетической теории теплоты. Ученый отказывается от общепризнанной тогда теории теплорода, утверждая, что теплота связана с внутрен­ним движением частиц.

Сади Никола Леонард Карно родился в Па­риже, получил прекрасное домашнее воспитание, окончил Политехническую школу, где учился у Араго, Пуассона, Гей-Люссака, Ампера и активно участвовал в политической жизни. Сади занимался наукой, музы­кой и спортом, будучи военным инженером.