Материалы студенческой научно-исследовательской конференции «Актуальные проблемы развития И истории технических, естественных и гуманитарных наук в системе высшего образования» (стр. 19 )

Химическая атомистика развивалась в тесной связи с изучением свойств газов. Дальтон изучал упругие свойства смесей, не взаимодействующих химических газов. Французский химик Гей-Люссак (1778-1850) открыл закон кратных объемов для химически взаимодействующих газов. Итальянский химик Амедео Авогадро (1776-1856) решительно высказался в пользу гипотезы, что в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится равное количество молекул, добавив при этом, что молекулы элементов могут состоять из нескольких атомов. Если, например, допустить, что молекулы водорода и хлора двухатомны, тогда при соединении молекулы водорода с молекулой хлора получаются две молекулы хлористого водорода и, следовательно, двойной объем этого газа, как и требует опыт. Однако химики не приняли теории Авогадро. Поэтому развитие атомистики затормозилось, вместо понятия «атомный вес» пользовались чисто эмпирическим понятием «весовой пай», с которым тот или иной элемент вступает в данное соединение. Тем не менее образы атомистики вошли в химию, и химики искали объяснения так называемых «сил химического сродства» либо в химических моделях («атомы с крючочками»), как у Дальтона, либо электрических притяжениях, как у Берцелиуса.

Для целей новой химии, и прежде всего для определения «паев», очень важно было знание свойств газов, поскольку объемные соотношения веществ, вступающих в химические реакции в газообразном состоянии, давали весовые соотношения реагирующих веществ при условии одинаковости температур и давлений. Важно было найти точные законы зависимости объемов газов от этих параметров. Для неизменных температур такая зависимость была найдена Бойлем и Мариоттом уже в XVII в. Гей-Люссак (1802 г.) нашел закон изобарического расширения газов: все газы расширяются от теплоты в одинаковой степени, и определил коэффициент объемного расширения (он равен в среднем, по Гей-Люссаку, 0,375). Такой же коэффициент нашел и Дальтон, но он считал, что этот коэффициент зависит от температуры. Объединение законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака было сделано Клапейроном (1799-1864). Объединение законов Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Авогадро (уравнение состояния идеальных газов) было сделано .

Термодинамика

Развитие паровых машин, а затем пароходов и паровозов стимулировало интерес к термодинамическим свойствам паров и газов. Гей-Люссак, а позже Джоуль производили опыт с расширением газа в пустоту, который приводил к заключению, что для идеального газа тепловое состояние при таком расширении не изменяется. Дальтон установил (1802 г.), что при быстрых сгущениях и разряжениях газов происходит нагревание и охлаждение. В 1803 г. лионский физик Моле сообщил о наблюдении одного рабочего французского оружейного завода, воспламенившего трут в стволе духового ружья при сжатии воздуха. Было также замечено, что теплоемкость газов при постоянном объеме и постоянном давлении различна. Деларош и Берар в 1813 г. произвели определения удельных теплоемкостей газов при постоянном давлении и постоянном объеме и показали, что первая теплоемкость значительно превосходит вторую. Отношение этих теплоемкостей определяли Гей-Люссак и Вельтер и нашли его равным 1,372; Дезорм и Клеман в 1819 г. нашли значение 1,357 (для воздуха). Еще в 1800 г. Лаплас заметил, что адиабатические изменения температуры должны повышать упругость воздуха в более сильной степени, чем изменение плотности, и тем самым повышать скорость звука в воздухе. Эксперименты с адиабатическим нагреванием и охлаждением и определением теплоемкостей газов имели важное значение, подготовляя открытие законов сохранения энергии.

Уже в конце XVIII в. начались исследования упругости газов при различных температурах (этим, между прочим, занимался и изобретатель паровой машины Уатт). Дальтон определял точку кипения жидкостей при пониженных давлениях. Таблицы упругости паров при различных температурах, составленные Дальтоном, вошли в современные ему учебники физики. Для развивающейся теплотехники важное значение имел вопрос о теплопередаче. Исследованиями теплопередачи занимался петербургский академик Рихман в 1750-1751 гг., явившийся основоположником этой отрасли знания. Выводы Рихмана оспаривались Ингенгузом, построившим в 1784 г. прибор для демонстрации теплопроводности, и поныне употребляемый в школьных физических кабинетах. Причину расхождений Рихмана и Ингенгуза вскрыл Фурье (1768-1830) в своем классическом исследовании «Аналитическая теория тепла» (1822 г.), указавший, что теплопроводность обусловлена тремя факторами: теплоемкостью, внутренней теплопроводностью и теплоотдачей во внешнюю среду. Фурье написал дифференциальное уравнение теплопроводности и решил его для случаев бесконечно длинной призмы, шара, конуса, и куба. Работа Фурье базировалась на идее теплового тока и, следовательно, концепции теплорода. На этой же идее основывалось и другое замечательное исследование этого периода «Размышление о движущей силе огня» (1824 г.) французского военного инженера Сади Карно (1796-1832), положившее начало термодинамике.

Это классическое сочинение замечательно прежде всего своей тесной связью с практикой. Карно с самого начала обращает внимание на то, «что теплота может быть причиной движений, что она также обладает большой двигательной силой: паровые машины, ныне столь распространенные, являются этому очевидным доказательством…» «Изучение этих машин, - продолжает Карно, - чрезвычайно интересно, так как их значение весьма велико и их распространение растет с каждым днем. По-видимому, им суждено сделать большой переворот в цивилизованном мире». Карно не ошибся, распространение парового двигателя в промышленности и на транспорте преобразило лицо мира, создало капиталистическую цивилизацию.

Задача, которую поставил перед собой Карно, - изучить «получение движения из тепла… с достаточно общей точки зрения». Это первая в истории физики четко сформулированная термодинамическая проблема, и также впервые в истории физики Карно предлагает для решения этой проблемы новый метод, чрезвычайно широкой общности.

Карно рассматривает идеализированный паровой двигатель. Он считает, что работа любого теплового двигателя сопровождается не тратой теплорода, а восстановлением его равновесия. Движущая сила тепла возникает благодаря переходу тепла от горячего тела к холодному. Карно формулирует следующий важный принцип: «…повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы. Обратно, повсюду, где можно затратить эту силу, возможно образовать и разность температур…» Этот принцип Карно представляет собой первую формулировку второго начала термодинамики, которому подчинены все тепловые машины, как двигатели, так и холодильные машины, и действие которого распространяется на все мыслимые термодинамические системы.

Карно ставит задачу: можно ли получить при данной разности температур какое угодно количество движущей силы (т. е. работы), или существует максимальный предел этой силы? Приведенное им рассуждение показывает, что такой предел существует, иначе был бы возможен вечный двигатель.

«Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми в конечном счете производится перенос теплорода».

На этой теореме Карно и основывается применение метода циклов в термодинамике, вместе с тем она является одной из возможных формулировок второго начала. Сам Карно пытался применить свой метод к вычислению соотношения между теплоемкостями газов, к установлению зависимости давления пара от температуры и т. д. В решении этих классических термодинамических задач ему очень мешала теория теплорода, недостатки которой он сам уже понимал, говоря, что современная теория теплоты, «нужно сознаться, не представляется нам теорией непоколебимой твердости». Но результаты, полученные Карно, не зависят от этой теории. Он смог со всей определенностью указать на преимущество машин высокого давления перед машинами низкого давления и высказать идею более экономического, чем паровые машины, двигателя внутреннего сгорания: «Сперва сжать воздух насосом, затем запустить его через вполне замкнутую топку, вводя туда маленькими порциями топливо при помощи приспособления легко осуществимого; затем заставить воздух выполнять работу в цилиндре с поршнем или в любом другом расширяющемся сосуде и, наконец, выбросить его в атмосферу…» Эти ясные идеи показывают, что Карно хорошо понимал термодинамические основы теплотехники и рано или поздно должен был порвать с теорией теплорода. Смерть помешала ему создать основы термодинамики, однако в оставшихся после его смерти бумагах мы находим доказательство того, что он уже пришел к первому закону термодинамики.

«Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает». Но это есть полная формулировка первого начала термодинамики, закона сохранения энергии (движущей силы – по терминологии Карно). Карно при этом вычислил из современных ему экспериментальных данных механический эквивалент теплоты. Его значение, равное 370 кГ*м/ккал, совпадает с числом, данным позже Майером.

Используемая литература:

1) , и др. История техники. М.-Л.,1956

2) История физики. М., 1963.

3) , История физики и техники. М., 1965.