Глава 10. ТЕРМОДИНАМИКА
«Теплота - это движение особого рода, природа которого никогда не была объяснена удовлетворительным образом».
В.Томсон. Очерк наук о теплоте и электричестве
10.1. Становление кинетической теории теплоты
Учение о теплоте своими корнями уходит в глубокую древность. Теплоте уже тогда придавалось исключительное значение. В одном из древних сочинений автор писал по этому поводу: «Горячее, огненное начало так слито во всю природу, что ему принадлежит плодородная сила, ему обязаны животные и растения своей силой и своим вырастанием».
В те времена уже были известны простейшие проявления действия теплоты: испарение, кипение и плавление. Правда, попытки объяснить эти явления успеха не имели.
Была подмечена также очень важная связь между теплотой и движением. Еще во втором веке до нашей эры впервые был использован пар для получения механического движения. Этим наука обязана древнегреческому инженеру Герону Александрийскому, который изобрел эолипил, представляющий собой полый железный шар, способный вращаться вокруг своей оси. В шар из котла поступал нагретый пар, который затем вырывался через укрепленные на шаре изогнутые трубки, приводя шар во вращение.
Так за две тысячи лет был открыт принцип паровой турбины, созданной, как известно, только во второй половине прошлого столетия. Герону было также известно явление расширения воздуха при его нагревании.
Известный римский поэт и философ Тит Лукреций Кар, живший в I веке до нашей эры, знал о нагревании свинцового шарика при катании его по твердой поверхности, о чем он писал в своей поэме «О природе вещей».
Однако прошло много столетий, прежде чем человек смог пополнить свои знания в этой области, систематизировать их и дать им надлежащее истолкование. Это стало возможным тогда, когда ученые перешли от простых наблюдений к опытному изучению физических явлений, в том числе и тепловых. На такой путь наука стала только в XVII в. В это время были изобретены многочисленные приборы, позволившие разносторонне и точно исследовать физические явления. К числу таких приборов, в первую очередь, следует отнести термометр, без которого немыслимо количественное изучение тепловых явлений.
В конце XVI в. было вновь открыто явление расширения воздуха при нагревании. Знаменитому итальянскому физику Галилео Галилею в 1597 г. пришла счастливая мысль использовать это явление для устройства прибора, с помощью которого можно было определять степень нагрева тел, прибор получил название термоскопа.
14*
Термоскоп Галилея представлял собой стеклянную трубку, верхний конец которой заканчивался шариком. Открытый нижний конец трубки помещался в воду, которая устанавливалась в ней на некотором уровне. При нагревании шарика воздух в нем расширялся и вытеснял из трубки часть воды, вследствие чего ее уровень понижался. При охлаждении шарика уровень воды повышался. Таким образом можно было качественно судить о степени нагретости воздуха.
Только через 60 лет, в 1657 году, термоскоп был усовершенствован во Флоренции организованной там «Академией опыта». Термоскоп перевернули, и в него был налит спирт, который расширялся при нагреве и не замерзал при низких температурах. Трубку разделили стеклянными бусинками на ряд отдельных частей. Число делений составляло от 40 до 50. Таким образом был получен прообраз будущего термометра. Этот прибор позволил флорентийским ученым сделать важные открытия, например, открыть тепловое излучение нагретых тел, направляя излучение от вогнутых зеркал на шарик.
Когда голландский физик Х.Гюйгенс открыл в 1665 г. постоянство температуры кипящей воды, он предложил использовдть эту температуру в качестве одной из постоянных точек термометра, но это было реализовано позже.
Существенный шаг вперед был сделан немецким ученым Д.Г.Фаренгейтом (1686-1736), который предложил в качестве постоянных точек термометра использовать температуру смеси снега со льдом и температуру человеческого тела. Эти точки были обозначены соответственно 32 и 92. Фаренгейт заменил спирт ртутью, а в качестве верхней постоянной точки шкалы он взял температуру кипящей воды, обозначив ее числом 212. Термометрическая шкала Фаренгейта до сих пор применяется в Англии и США.
Современные постоянные точки термометра - температуры тающего льда и кипящей воды были предложены францусским ученым Р.А.Реомюром в 1730 году. Шкалу между этими точками Реомюр разделил на 80 частей, причем нулю соответствовала температура кипящей воды, а 80 - тающего льда. Стоградусная термометрическая шкала, получившая наибольшее распространение, была предложена шведским физиком Цельсием в 1742 г. В этой шкале точка таяния льда обозначалась числом 100, а точка кипения воды - нулем. Только в 70-х годах XVIII в. было введено современное обозначение этих точек: температура таяния льда была принята за ноль стоградусной шкалы, а температура кипения воды за 100 градусов (лед и вода при этом должны быть совершенно чистыми, а атмосферное давление - 760 мм. рт. ст.). Эта шкала получила название шкалы Цельсия.
В настоящее время наряду со шкалой Цельсия в физике используется абсолютная термодинамическая температурная шкала (шкала Кельвина, названа в честь В.Томсона - лорда Кельвина), в которой за нулевую точку отсчета принят абсолютный нуль температуры (-273,15 град. Цельсия). Шкала утверждена X Генеральной конференцией по мерам и весам в 1954 г.
В России в первой половине XVIII в. были распространены ртутные термометры, изготовленные францусским астрономом и петербургским академиком Ж.Н.Делилем.
