Зарождение теории теплоты
Одним из тех, кто, несмотря на укрепление позиций сторонников теплорода, пытался развивать кинетическую теорию теплоты, был Даниил Бернулли. Он считал воздух состоящим из мельчайших частиц, движущихся «чрезвычайно быстро в различных направлениях». Он утверждал, что скорость движения частиц воздуха возрастает с ростом температуры, и объяснял тем самым увеличение упругости воздуха при нагревании. Замечателен окончательный вывод Д. Бернулли о том, что «упругости находятся в отношении, составленном из квадрата скоростей частиц и первой степени плотностей», что полностью соответствует основному уравнению молекулярно-кинетической теории газов в современном изложении:
где p
– давление газа; n
– атомная плотность, т.е. количество
атомов (молекул) в единице объема газа;
m
– масса одного атома (молекулы);
– средний квадрат скорости молекул.
Так Д. Бернулли вошел в историю физики
как один из основателей кинетической
теории газов.
Михаил Васильевич Ломоносов
Попав в университет при Петербургской Академии наук, а затем за границу, Ломоносов смог овладеть современной ему наукой. При этом, однако, он обнаружил, что в науке того времени не было единства. В ней существовали различные течения, и Ломоносов был поставлен перед выбором, к какому из них примкнуть. Как уже упоминалось, борьба в то время шла в основном между картезианцами – последователями Декарта, и ньютонианцами – сторонниками Ньютона. Картезианцы отвергали существование в природе пустоты. Они считали, что все пространство заполнено материей, являющейся некой идеальной жидкостью, которая находится в вечном движении. В результате движения в материи образуются отдельные частицы, из которых составляются тела. Частицы бывают различных сортов, например, частицы вещества, из которых построены все тела, и частицы другого рода, заполняющие поры между частицами вещества. В частности, такими частицами являются частицы эфира. Взаимодействие между телами или между частицами возможно только при непосредственном контакте в виде удара, толчка или давления. Концепция же Ньютона, как мы знаем, предполагала, что тела воздействуют друг на друга посредством дальнодействующих сил, мгновенно действующих на расстоянии через пустоту.
Когда в Академию пришел Ломоносов, то, несмотря на победу ньютонианцев, отголоски этого спора были еще слышны. В частности, противником дальнодействия был Эйлер. Конечно, у картезианцев и ньютонианцев было много общего. И для тех и для других был характерен механистический взгляд на явления природы. В своем большинстве, как картезианцы, так и ньютонианцы верили в атомистическое строение вещества.
Ломоносову пришелся по душе механистический количественный подход к объяснению явлений природы, но, что касается вопроса о дальнодействии, то Ломоносов сразу же стал противником «притягательных» сил, действующих на расстоянии. И в дальнейшем все его научное творчество несло на себе печать этого отрицательного отношения.
Научные интересы Ломоносова распространялись на значительную часть современных ему естественнонаучных исследований, в частности, исследований в области химии. В отличие от физики химия в первой половине XVIII века еще не сформировалась как одна из естественных наук. Большую роль в становлении химии сыграли работы Бойля, в которых начало формироваться понятие химического элемента. Развивая атомистическую гипотезу в химии, Ломоносов высказал предположение, что частицы, из которых состоит вещество, должны быть двух видов. Во-первых, это «элементы» – частицы, неразложимые при химических превращениях. Эти «элементы» и есть атомы. Во-вторых, имеются «корпускулы», частицы более сложные, состоящие из элементов. При этом одинаковые корпускулы одного и того же вещества состоят из одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом. Если при изменениях, происходящих с веществом, изменяется состав корпускул, значит, происходит химическая реакция. Таким образом, предвосхищая последующие открытия, Ломоносов по существу говорит о существовании наряду с атомами и молекул.
Второе достижение Ломоносова в области химии – это открытие неизменности общего веса веществ при химических реакциях. Химики во времена Ломоносова проповедовали гипотезу так называемого флогистона, или материи огня. Кислород, как и другие газы, составляющие воздух, еще не был известен. Поэтому образование окалины при обжиге металлов объясняли соединением металла с флогистоном, способным проникать через стенки сосуда, внутри которого находился металл. Этой точки зрения придерживался и Роберт Бойль, считавший, что подтвердил ее в следующем опыте. Свинцовый брусок взвешивался и помещался в закрытый стеклянный сосуд. Сосуд со свинцом нагревался, в результате чего свинец превращался в окалину. После этого свинец с окалиной снова взвешивался. Бойль обнаружил, что в результате обжига вес свинца увеличился, и объяснил это тем, что во время обжига через стенки сосуда внутрь него проник флогистон, который, соединившись с металлом, образовал окалину.
Ломоносов был противником теории флогистона. Он предположил, что вес окалины больше веса металла, потому что при обжиге с металлом соединился воздух, находившийся в сосуде. В 1756 году Ломоносов проделал подобный опыт. Он также прокалил в закрытом стеклянном сосуде металл. Но, в отличие от Бойля, он взвесил весь сосуд с металлом до обжига и после. Как показало взвешивание, вес сосуда с металлом не изменился. Следовательно, никакого флогистона через стенки сосуда в него не проникало. Результат этого опыта показал, что общий вес веществ, вступающих в химическую реакцию, до и после реакции остается неизменным. Этим был сделан решающий шаг в установлении закона сохранения веществ при химических реакциях.
Однако, по неизвестной причине, Ломоносов не опубликовал полученного им результата. А в 1774 году Лавуазье опубликовал работу, в которой описал проделанный им аналогичный опыт. Он так же, как и Ломоносов, показал, что вес сосуда с металлом после нагрева не изменяется. Более того, Лавуазье измерил, на сколько увеличился вес металла при нагреве, и сравнил эту величину с уменьшением веса воздуха в сосуде.
Первыми опубликованными работами Ломоносова по физике были работы по теории теплоты и газов, в которых он опирался на атомистические представления. В 1745 году в собрании Академии наук была прочитана работа Ломоносова «Размышления о причине теплоты и стужи». В этой работе Ломоносов применил общие представления об атомистическом строении вещества к тепловым явлениям. Он, опираясь на опытные факты, доказывал правоту кинетической теории теплоты и возражал против теории теплорода.
«Хорошо известно, – писал Ломоносов, – что теплота и огонь возбуждаются посредством движения. От взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем, ... железо накаляется при проковывании частыми и сильными ударами. При прекращении движения уменьшается и теплота ...». Будучи твердо уверен в том, что движение в природе не теряется и не появляется из ничего, Ломоносов заключает, что причиной теплоты должно быть движение. Это движение должно быть невидимым движением частиц, составляющих тела. «Достаточное основание для теплоты, – пишет он, – заключается во внутреннем движении материи».
Далее Ломоносов уточняет характер теплового движения частиц. Оно, по его мнению, является вращательным. Частицы (корпускулы) представляют собой шероховатые шарики, подобные зубчатым колесам и способные, сцепляясь друг с другом, передавать движение одной частицы к другой. В твердом теле шероховатые частицы соприкасаются друг с другом и непосредственно передают вращательное движение друг другу. Таким образом происходит теплопередача.
Почему же Ломоносов выдвинул гипотезу о теплоте только как о вращательном движении частиц? Ведь это предположение очень ослабило его работу. Оказывается, все дело было в том, что Ломоносов был ярым противником дальнодействующих сил и не мог прибегать к ним при рассмотрении молекулярного строения тел. А ему надо было объяснить такие противоречащие друг другу свойства, как сцепление частиц и упругость тела; связанность частиц тела и его способность к тепловому расширению. Твердое тело, состоящее из частиц, не взаимодействующих через пустоту на расстоянии, и к тому же обладающих еще и другими степенями свободы, кроме вращательных, не могло бы сохранять формы, т.е. быть твердым телом в полном смысле этого слова. Не признавая дальнодействующих сил, Ломоносов не признавал молекулярных сил, подобных силам тяготения. Поэтому он и приписал частицам твердого тела лишь вращательные степени свободы и, кроме того, в качестве причины стабильности формы твердых тел ввел в рассмотрение эфир. По его предположению, твердые тела не распадаются на части, будучи подвержены со всех сторон давлению частиц эфира.
Приняв в качестве исходной посылки гипотезу о вращательном движении молекул как причине тепла, Ломоносов выводит отсюда ряд следствий:
1. Молекулы (корпускулы) имеют шарообразную форму.
2. При более быстром вращении частиц теплота твердого тела увеличивается; при уменьшении скорости вращения – уменьшается и теплота.
3. Горячие тела должны охлаждаться при соприкосновении с холодными, т.к. частицы холодного тела замедляют движение частиц горячего тела; наоборот, холодные тела при этом нагреваются вследствие ускорения движения их частиц при контакте с частицами горячего тела.
Здесь же Ломоносов указывает, что, поскольку верхнего предела скорости частиц нет (представления о предельном характере скорости света 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». Т.е. Ломоносов утверждает существование абсолютного нуля температуры.
Ломоносов включает в свою термодинамическую систему и мировой эфир. «Мы не только говорим, – пишет он, – что такое движение и теплота свойственны и той тончайшей материи эфира, которой заполнены все пространства, ... но и утверждаем, 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». По сути, Ломоносов задолго до Больцмана и Вина включил тепловое излучение в термодинамику.
Следующими работами по физике, опубликованными Ломоносовым, были работы по кинетической теории газов. Их было две: «Попытка теории упругой силы воздуха» и «Прибавление к размышлению об упругости воздуха», опубликованные в 1750 году в трудах Академии. В этих работах Ломоносов разработал теорию упругости воздуха, основываясь на своей модели частиц, образующих тела. Представление о том, что воздух состоит из маленьких частиц, свободно движущихся во все стороны, и что упругость его объясняется ударами этих частиц о стенки сосуда, не было совсем новым. Незадолго перед тем и Даниил Бернулли высказал подобную гипотезу.
Отличие модели Ломоносова от первых молекулярно-кинетических моделей строения газов заключалось только в механизме взаимодействия частиц. Если в этих моделях взаимодействие между атомами или молекулами рассматривалось как взаимодействие сталкивающихся упругих шариков, то Ломоносов предположил иной механизм их взаимодействия. Полагая молекулы газа простейшими объектами, Ломоносов не мог считать их упругими. Упругость молекул надо было объяснять, предполагая их сложное строение. Поэтому он принял, что молекулы газа (которые он мыслил как шероховатые абсолютно твердые шарики) отталкиваются друг от друга подобно сталкивающимся вращающимся волчкам. Вращение же молекул следовало из того, что теплота, по Ломоносову, – это вращательное движение частиц тела. Ломоносов указывает на ряд свойств воздуха, подтверждающих его теорию. Показав, что согласно его модели газ должен следовать закону Бойля-Мариотта, он далее отмечает, что это не совсем верно. Для достаточно сжатых газов этот закон не будет точно выполняться. Ломоносов правильно указывает на причину этого – конечные размеры корпускул газа. Вопрос об отступлении газов от закона Бойля-Мариотта был рассмотрен количественно гораздо позже, только во второй половине XIX столетия Ван-дер-Ваальсом.
Современники не пошли по пути, указанному Д. Бернулли и Ломоносовым. В теории теплоты, как уже было сказано, воцарился теплород.