Глава VI
НАУКА О ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЯХ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА В XVIII СТОЛЕТИИ.
Развитие термометрии
В 1655 году Христиан
Гюйгенс предложил в качестве реперных
точек термометрической шкалы выбрать
температурные точки кипения воды и
плавления льда. В Данциге (Гданьске)
Фаренгейт с 1709 года изготовлял спиртовые
термометры с постоянными точками. С
1714 года он начал изготовлять ртутные
термометры. Точку замерзания воды он
принимал за
,
точку кипения воды – за
.
Французский металлург Реомюр предложил
термометр с постоянной нулевой точкой,
за которую он принял температуру
замерзания воды. Пользуясь в качестве
термометрического тела 80-процентным
раствором спирта, а позже ртутью, он
принял в качестве второй постоянной
точки точку кипения воды, сопоставив
ей
.
Проверку термометра Реомюра проводил
шведский астроном Андерс Цельсий.
Исследовав температурную точку таяния
льда или снега при различной погоде и
различных атмосферных давлениях, он
констатировал, что «термометр показывал
одну и ту же точку, если только снег
лежал плотно вокруг шарика термометра».
Убедившись в постоянстве точки плавления
льда, Цельсий исследовал точку кипения
воды и установил, что она зависит от
атмосферного давления. В итоге исследования
появился новый термометр, известный
сегодня как термометр Цельсия. Однако
справедливости ради надо уточнить, что
точку плавления льда Цельсий принял за
,
а точку кипения воды при давлении 760 мм
рт. ст. – за
.
Термометрической шкалой, в которой
означал
температуру плавления льда, а
– температуру кипения воды при нормальном
атмосферном давлении, впервые
воспользовался известный шведский
биолог Карл Линней. Таким образом,
современная шкала Цельсия по существу
является шкалой Линнея.
Уже в XVIII веке физики предпринимали попытки изучить максимально низкие и высокие температуры. Получение низких температур тогда осуществлялось в морозную погоду с использованием охлаждающих быстро испаряющихся смесей. Так 14 декабря 1759 года петербургскому академику Брауну удалось заморозить ртуть и оценить температурную точку ее отвердевания. Наивысшие температуры (без количественных оценок) были получены в 1772 году комиссией Парижской Академии Наук под руководством Антуана Лавуазье. Высокие температуры получали, концентрируя солнечное излучение в фокусе специально изготовленной линзы диаметром 120 см. Таким методом удалось расплавить цинк и золото.
Развитие термометрии
позволило приступить к систематическим
исследованиям теплового расширения
тел (Лавуазье, Лаплас; 1782 г.). Однако
основные количественные понятия
теплофизики были сформулированы не
сразу. В печатных трудах того времени
существовала немалая путаница в понятиях;
так, например, физики не научились еще
различать понятия температуры и
количества тепла. Тем более заслуживает
внимания статья петербургского академика
Георга Вильгельма Рихмана «Размышления
о количестве теплоты, которое должно
получаться при смешении жидкостей,
имеющих определенные градусы теплоты».
Здесь под теплотой Рихман имеет в виду
температуру, т.е. ставит задачу определения
температуры смеси нескольких масс одной
и той же жидкости. Он утверждает, что
если до смешения масса жидкости
имела температуру
,
масса
– температуру
,
масса
– температуру
и т.д., то после смешения температура t
смеси окажется равной
Рихман еще не владел понятием количества теплоты, но написал совершенно правильную калориметрическую формулу. Он совершенно ясно понимал, что теплота смеси распределяется не только по самой жидкости, но и по стенкам сосуда и самому термометру, а часть теплоты смеси, пока производится опыт, переходит в окружающий воздух.
Важный вклад в развитие теплофизики внесли исследования шведского академика Иоганна Вильке и шотландского химика Джозефа Блэка. Вильке, исследуя в 1772 году смесь воды и снега, обнаружил, что часть теплоты «исчезает». Поэтому он пришел к понятию скрытой теплоты таяния (плавления). Еще весомее результаты Блэка. Его исследования были опубликованы лишь в 1803 году, спустя четыре года после его смерти; и тогда стало известно, что Блэк первым четко разграничил понятия количества теплоты и температуры, первым ввел понятие о теплоемкости. Еще в 1754-1755 гг. Блэк открыл, что, несмотря на приток тепла, температура системы лед-вода остается постоянной, пока весь лед не растает. Отсюда Блэк пришел к понятию скрытой теплоты плавления. Позже он ввел понятие скрытой теплоты испарения. Таким образом, к 70-м годам XVIII столетия были установлены основные калориметрические понятия. В 1777 году Лавуазье и Лаплас, сконструировав калориметр, провели ряд экспериментов по определению удельной теплоемкости различных тел.