Молекулярная физика и теплота в XVIII столетии

В 18 столетии механика становится зрелой наукой. Но наука о теплоте делает только свои первые шаги.

Еще в 1703 г. парижский академик Амонтон (1663-1795) сконструировал газовый термометр. Гданьский стеклодув Фаренгейт изготовил спиртовые термометры с постоянными точками. С 1714 г. он начал изготавливать ртутные термометры.

Французский зоолог и металлург Реомюр(1683-1757) предложил термометр с постоянной нулевой точкой, за которую он принял температуру замерзания воды.

Проверку термометра Реомюра проводил шведский астроном Цельсий (1701-1744), описавший свои опыты в 1742г. Точку плавления льда Цельсий принял за 100, точку кипения при давлении 25 дюймов 3 линии ртутного столба – за 0.

Извстный шведский ботаник Карл Линней (1707-1788) пользовался термометром с переставленными значениями постоянных точек.

В Петербургской Академии наук академик Делиль предложил шкалу, в которой точка плавления льда принималась за 150, а точка кипения воды – за 0.

Термометры использовались прежде всего для метеорологических и географических целей.

Развитие термометрии было первым научным и практическим использованием теплового расширения тел. Первые точные измерения теплового расширения твердых тел были выполнены Лавуазье и Лапласо в 1782г. Их метод долгое время описывался в курсах физики, начиная с курса Био, 1819г., и кончая курсом физики Хвольсона, 1923.

Полосу испытуемого тела помещали сначала в тающий лед, а затем в кипящую воду. Были получены данные для стекла различных сортов, стали и железа, а также для разных сортов золота, меди, латуни, серебра, олова, свинца.

Уже в первой половине XVIII столетия были созданы термометры и начались количественные тепловые измерения, доведенные до высокой степени точности в теплофизических опытах Лапласа и Лавуазье.

Вильке, исследуя в 1772 г. теплоту смеси воды и снега, обнаружил, что часть теплоты исчезает. Отсюда он пришел к выводу к понятию скрытой теплоты таяния снега и к необходимости введения нового понятия, получившего в дальнейшем название «теплоемкость».

К этому же выводу пришел и Блэк, не опубликовавший своих результатов. Его исследования были напечатаны только в 1803 г., и тогда стало известно, что Блэк первым четко разграничил понятия количества теплоты и температуры, первым ввел термин «теплоемкость». Позже он установил понятие скрытой теплоты испарения. Таким образом, к 70-м годам 18 столетия были установлены основные колориметрические понятия. Лишь спустя почти сто лет (1852.) была введена и единица количества теплоты, получившая значительно позже название «калория».

В 1777 г. Лавуазье и Лаплас, построив ледяной калориметр, определили удельные теплоемкости различных тел. Аристотелевское первичное качество – тепло стало изучаться методом точного эксперимента.

Появились и научные теории теплоты, одна, наиболее распространенная концепция (ее придерживался и Блэк) – это теория особой тепловой жидкости – теплорода. Другая, ревностным которой был Ломоносов, рассматривала теплоту как род движения «нечувствительных частиц».

Атомизм господствовал в физических воззрениях ученых и мыслителей 17 в. Гук, Гюйгенс, Ньютон представляли все тела Вселенной состоящими из мельчайших частичек, «нечувствительных», как их кратко называл позднее Ломоносов.

Бернулли в «Гидродинамике» представлял воздух состоящим из частиц, движущихся «чрезвычайно быстро в различных направлениях» и считал, что эти частицы образуют «упругую жидкость». Бернулли обосновывал своей моделью «упругой жидкости» закон Бойля-Мариотта. Он установил связь между скоростью движения частиц и нагреванием воздуха и объяснил тем самым увеличение упругости воздуха при нагревании. Это была первая в истории физики попытка истолковать поведение газов движением молекул, попытка несомненно блестящая, и Бернулли вошел в историю физики как один из основателей кинетической теории газов.

Спустя 6 лет после выхода «Гидродинамики» Ломоносов представил в Академическое собрание свою работу «Размышления о причине теплоты и холода». Она была опубликована только через 6 лет, в 1750 г., вместе с другой, более поздней работой «Опыт теории упругости воздуха». Таким образом, теория упругости газов Ломоносова неразрывно связана с его теорией теплоты и опирается на последнюю.

Ломоносов выдвигает гипотезу, что теплота – это форма движения нечувствительных частиц.

Ломоносов здесь же указывает, что поскольку верхнего предела скорости частиц нет (теория относительности еще не существует!), то нет и верхнего предела температуры. Но «по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода, которая должна состоять в полном прекращении вращательного движения частиц». Ломоносов, следовательно, утверждает существование «последней степени холода» - абсолютного нуля.

Вместе с тем Ломоносов включает в свою термодинамическую систему и мировой эфир. Утверждает, что материя эфира может сообщать полученное от солнца теплотворное движение нашей земле и остальным телам мира и их нагревать, являясь той средой, при помощи которой тела, отдаленные друг от друга, сообщают теплоту без посредничества чего-либо ощутимого».

Итак, Ломоносов задолго до Больцмана, Голицына и Вина включил тепловое излучение в термодинамику. Термодинамика Ломоносова – замечательное достижение научной мысли 18 века, далеко опередившее свое время.

Оптика

Учение о теплоте развилось в 18 в. в тесной связи с химией и оптикой. Принцип Гюйгенса в 18 в. «не работал», вообще волновая теория света, несмотря на ее поддержку Ломоносовым и Эйлером, была оставлена.

Корпускулярная, «вещественная» теория света завоевала всеобщее признание.

Замети, что именно в 18 в. проявляется большой интерес к световым измерениям и именно отсюда датируется фотометрия. Причины этого, с одной стороны, лежат в практических потребностях. Вопросы освещения, в частности уличного освещения больших городов, устройство маячных фонарей, приобрели большое значение. Лавуазье занимался этими вопросами в Париже, Ломоносов принимал активное участие в устройстве парадных иллюминаций. Кулибин конструировал фонари.Измерение силы света различных источников и освещенности стало интересовать ученых.

Основателями фотометрии были француз Пьер Бугер (1698-1758), издавший в 1729 г. «Опыт градации света» и написавший «оптический трактат о градации света», и эльзасец И.Г.Ламберт (1728-1777), «Фотометрия», которая была издана в 1760г. В работе Бугера введены такие фотометрические понятия, как «световой поток», «сила света источника», «освещенность», «яркость». Бугер сконструировал простой фотометр. Он установил весьма важный закон поглощения света, согласно которому интенсивность светового потока убывает с толщиной поглощающего слоя по экспоненциальному закону.

Ламберт уточнил основные фотометрические понятия и соотношения, к закону зависимости освещенности от расстояния он добавил закон зависимости освещенности от угла наклона падающих лучей, сформулировал закон зависимости яркости источника от «угла истечения» света из источника. Этот закон Ламберта справедлив для абсолютно черного тела.

Фотометрия была важнейшим достижением оптики 18 в. Из других результатов следует отметить построение, вопреки мнению Ньютона, ахроматических объектов телескопов и труб и открытие аберрации света (Джеймс Брадлей,1728). Это последнее открытие дало новый метод определения скорости света и позже сыграло важную роль в развитии оптики движущихся сред.

Электричество и магнетизм

Научное исследование электрических и магнитных явлений началось с книги Гильберта, которому принадлежит и термин «электричество», произведенный от греческого названия янтаря.

Электрические явления, по Гильберту, коренным образом отличаются от магнитных.

Бойль, повторив опыты Герике с шаром, установил. Что наэлектризованное тело не только притягивает ненаэлектризованное, но и, в свою очередь, притягивается последним. Он показал, что электрические взаимодействия наблюдаются и в вакууме.

Ньютон в 1716 г. наблюдал искровой разряд между острием иголки и наэлектризованным телом. «Искра напоминала мне о молнии в малых, очень малых размерах», - писал Ньютон. Наконец, Стефан Грей в 1729 г. открыл явление электропроводимости тел и показал, что для сохранения электричества тело должно быть изолировано. Он наэлектризовал ребенка, сначала подвесив его на шнурах, сплетенных из волос, а затем поставив его га смоляной диск.

Опыты Грея обратили на себя внимание французского естествоиспытателя Шарля Дюфэ(1698-1739), создавшего первую теорию электрических явлений.

Дюфэ установил 2 рода электрических взаимодействий: притяжение и отталкивание. Этот закон Дюфэ опубликовал в Мемуарах Парижской Академии наук за 1733г.

Франклин, Рихман, Ломоносов, Эпинус внесли существенный вклад в эту науку.

Георг Рихман родился в 1711 г. в г. Пярну в Эстонии. Он учился в германских университетах и и Петербургской Академии наук., в 1741 г. стал профессором академии. Существенно новым моментом в исследованиях Рихмана было то, что он «пытался подвергнуть измерению порождаемое электричество». Рихман описывал ряд опытов с различными весами и массами. Но потом он переходит к другому методу – методу электрического указателя – родоначальнику современных электрометров. Описание экспериментов Рихмана было опубликовано в «Новых Комментариях» Петербургской Академии наук за 1751 г. спустя 6 лет после начала опытов. Это была первая публикация по электричеству в России.

Электрометры были созданы во второй половине 19 столетия.

С помощью своего указателя Рихман открыл существование электрического поля вокруг заряженного тела, напряженность которого убывает с увеличением расстояния от тела «по некоторому, пока еще неизвестному закону», Таким образом, русскому ученому принадлежит честь открытия электрического поля и вполне определенное утверждение о зависимости действия этого поля от расстояния до источника поля. Этот закон был найден спустя 40 лет Кулоном.

Основоположник американской науки Бенджамин Франклин родился в семье бостонского мыловара в 1706 г. Большую роль сыграл Франклин в борьбе за независимость американских колоний(1775-1783) Он принимал активное участие в выработке конституции США, боролся за демократические принципы управления государством. Умер Франклин в 1790 г.

Франклин был одним из основателей науки этого государства, учредителем одного из первых университетов, первого научного общества –Филадельфийского философского общества. Первое место в научной работе Франклина занимали исследования по электричеству. Один из первых опытов Франклина заключался в электризации чугунного шара, помещенного на горлышке «чистой сухой стеклянной бутылки». Электризация исследовалась с помощью легкого пробкового шарика, подвешенного на шелковой нити, прикрепленной к потолку. Франклин установил в этом опыте действие проводящего острия, разряжающего шар, и светящегося в темноте при разряде.

Франклин показывает, что электрическая атмосфера обволакивает шар равномерно, с остриев ее легче отобрать, чем с граней. Он демонстрирует стекание стекание электричества с острия на различных опытах. Это же свойство было раньше открыто и исследовано Рихманом. Существенно. Что в теории Франклина электричество является субстанцией, которую нельзя создать или уничтожить, а можно только перераспределить. Закон сохранения электрического заряда – основное положение теории Франклина, предшественницы электронной теории.

Франклин высказал также гипотезу, что молния представляет собой разряд наэлектризованных туч. Он произвел знаменитый опыт с воздушным змеем, запуская его при приближении грозовых туч. Опыты Франклина и его идея громоотвода вызвали широкий резонанс, их повторяли в Европе.

Аналогичные наблюдения проводили Ломоносов и Рихман в Петербурге. Во время наблюдения грозы Рихман был убит молнией.

Рихман начал свои электрические исследования за 2 года до Франклина. Независимо от Франклина проводил «электрические наблюдения» и Ломоносов.

Рихман и Ломоносов не приняли теории Франклина. Ломоносов разрабатывал свою теорию электрических явлений, в которой сделал попытку объяснить электричество движением частиц эфира.

В 1759 г. в Петербурге вышла на латинском языке книга «Опыт теории электричества и магнетизма» академика Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724-1802). З а 2 года до выхода этой книги член Берлинской Академии наук Эпинус принял приглашение Петербургской Академии наук и заключил контракт на 5 лет. Однако он остался в России до конца своей жизни. В отличие от Гильберта, Эпинус ищет не отличия, а сходства между электричеством и магнетизмом.

В основу своей теории Эпинус кладет представление об электрической и магнитной жидкостях, частицы которых взаимодействуют с материей и между собой притягательными и отталкивательными силами. Следуя примеру Ньютона, Эпинус не рассматривает природу этих сил, а описывает с помощью их экспериментальные факты.

По аналогии с электрическими явлениями Эпинус вводит для описания магнитных явлений магнитную жидкость.

В 1771 г. английский лорд Кавендиш впервые экспериментально показал, что силы взаимодействия электрических зарядов подчиняются закону 1/r, где n=2+1/50.

Генри Кавендиш (1731-1810) занимался физикой и химией в качестве «хобби», как сказал бы теперь. Он родился в знатной английской семье. Отец Генри был членом Лондонского Королевского общества. В 1749 г. Кавендиш поступил в знаменитый колледж Кембрийского университета Питерхаус.

Работы Кавендиша по теплоте продолжались с перерывами более 30 лет. Своими калориметрическими опытами он доказал, что в одинаковых условиях каждое вещество по-своему ведет себя по отношению к нагреванию. Этим выводом Кавендиш предвосхитил введение такого понятия, как удельная теплоемкость. С помощью тонких и точных экспериментов ему удалось продемонстрировать существование скрытой теплоты плавления и парообразования.

Кавендиш исследовал тепловое расширение тел, также влияние нагревания на ход химических процессов. Результаты своих исследований он опубликовал в ряде работ в журнале ЛКО «Философские записки».

Кавендиш независимо от Д.Резерфорда в 1772 г. открыл азот, но об открытии вовремя сообщение не опубликовал. Получили известность опыты Генри Кавендиша по выделению «горючего воздуха» - водорода. Мастерство Кавендиша в проведении количественных химических опытов привело его к установлению состава воды – важнейшему открытию, которое послужило экспериментальным обоснованием кислородной теории, созданной несколько позже А.Лавуазье.

В электростатике Кавендиш одним из первых использовал понятие емкости проводника (правда, такого термина он не применял). В качестве эталонной он выбрал емкость шара определенного радиуса, т.е. емкость у него имела размерность длины, как в современной системе единиц CGSE. Благодаря введению этого понятия он раньше других ученых смог проводить количественные измерения в области электричества.

Еще при жизни Кавендиша получили известность его опыты с электрическими рыбами, следствием которых стало создание «Искусственного» ската, В этих опытах ученый исследовал проводимость различных веществ и по существу предвосхитил результаты Ома, полученные почти 50 лет спустя.

Таким образом, Кавендиш в своих электрических исследованиях намного опередил время.

Научная деятельность Кавендиша резко контрастировала с господствовавшим тогда идеалом ученого-джентльмена, посвящающего любопытным опытам часы досуга. Одинокая фигура Кавендиша противостояла тенденции любительства в английской науке: он был полностью поглощен своими исследованиями.

Вся исследовательская деятельность ученого была подчинена стремлению к проведению опытов в возможно более «чистом» виде, т.е. чтобы на их результатах сказывалось как можно меньше побочных факторов.

Особенно хочется подчеркнуть новаторство Кавендиша в оценке точности опытов. В этом его исследования превосходят работу Ш.Кулона, который не пытался оценить точность определения показателя степени расстояния.

В 1766 г. он открыл водород и получил углекислый газ, он показал, что вода получается при горении водорода. Он с помощью крутильных весов определил постоянную закона тяготения и тем самым «взвесил» Землю. Одинокий, чудаковатый джентльмен, он неохотно публиковал свои работы, свои электрические исследования. Они оставались неизвестными до 1879 г., когда их опубликовал Максвелл, первый профессор лаборатории Кавендиша, открытой на средства потомка Генри Кавендиша в Кембридже в 1874 г.

Максвелл повторил опыты Кавендиша с электрометром Томсона и показал, что n может отличаться от 2 не более чем на 1/21600.

«Что касается скрытости Кавендиша,- писал в 1891 г. известный электрофизик Хефисайд, - то она совершенно не простительна; это грех». Этот «грех» стоил Кавендишу славы открывателя точного закона электрических взаимодействий, который навсегда вошел в науку под названием закона Кулона.

Французский военный инженер, а с 1781 г. член Парижской Академии наук Шарль Огюстен Кулон (1736-1806) в 1777 г. исследовал кручение волос, шелковых и металлических нитей. Результатом этих исследований явилось открытие закона кручения:

= С Pl/r,

где - угол кручения, Р – закручивающая сила, l – длина нити, r – ее радиус.

В 1784 г. Кулон сконструировал чувствительный прибор – крутильные весы. С помощью этих весов открыл законы электрических и магнитных взаимодействий. Его опыты и выводы из них им в 1782-1785 гг. в семи мемуарах.

Существенным моментом в работе Кулона было установление метода измерения количества электричества и количества магнетизма (магнитных масс). В научной системе единиц законы Кулона дают основную базу системы электрических и магнитных единиц. После Кулона стало возможным построение математической теории электрических и магнитных явлений.

Сравнение экспериментов Кулона и Кавендиша показывает преимущества более утонченных методов последнего; его опыты очень близки к современным тонким физическим экспериментам. Опыты Кулона более традиционны для конца 18 в. и характеризуются, если так можно выразиться, «инженерной» точностью.

Детальный анализ опытов Кулона позволяет уточнить, какие черты творчества ученого сближают его работы с работами современных экспериментаторов. С другой стороны, он помогает понять, чем отличается подход ученого 18 в. к количественному эксперименту от современного подхода к проведению прецизионных измерений.