Опыты Румфорда и Дэви, Блэка. Идеи Рихмана

Первый шаг сделал Румфорд (1753—1814) в конце XVIII столетия. Идея опыта возникла опять-таки из самого обычного наблюдения, которое, наверное, делали многие до Румфорда, но не придавали ему особого значения. Речь идет о теплоте, возникающей при сверлении отверстия в куске металла. Румфорд, в частности, занимался сверле­нием пушечных стволов в военной мастерской в Мюнхене и заметил, что температура металла очень сильно повы­шается. Откуда бралась теплота? Источников теплорода, очевидно, не было.

Одно из предположений заключалось в том, что мел­кие металлические стружки, образующиеся при сверле­нии, обладали меньшим сродством к теплороду, чем мас­сивный металл, в котором сверлили отверстие. Таким обра­зом, при сверлении металла выделяется теплород, в резуль­тате чего происходит повышение температуры. Румфорд придумал простой способ проверить это предположение. Если взять тупое сверло, рассуждал он, то стружек обра­зуется мало и повышение температуры должно быть мень­ше. Румфорд проделал опыт: температура поднялась еще выше. Очевидно, теория теплорода не годилась.

Румфорд вспомнил более ранние теории Бойля и других ученых, согласно которым теплота связана с колебаниями частиц. Дальнейшие опыты убедили его в том, что теплота может создаваться без ограничений, и в конечном счете он высказал смелое утверждение, что «теплота есть ДВИ­ЖЕНИЕ» (это слово выделил сам Румфорд). Это утверждение часто приводят как свидетельство большой проницательности Румфорда. Может быть, это и так, но оно свидетельствует также о большой осторож­ности. Какого рода движение представляет собой теплота? Как оно получается? Что происходит с этим движением, когда тело остывает? Ни одного из этих вопросов Румфорд не поставил и, естественно, не дал на них ответа. Но Румфорд сделал крупный шаг вперед, предположив, что теплота — это некое свойство самого вещества, а не что-то добавляемое к нему.

Дэви (1778—1829) произвел в Лондоне опыт, условия которого были в большей степени подчинены воле экспе­риментатора. Он сложил вместе два куска льда, поместил их в сосуд, из которого был выкачан воздух, и привел их, но взаимное трение при помощи часового механизма. Выделилось достаточное количество тепла, чтобы расплавить часть льда, и эта теплота не могла взяться из теплорода воздуха.

Так был сделан первый важнейший шаг: было установ­лено, что теплота есть форма кинетической энергии. Сле­дующий необходимый шаг состоял в том, чтобы выяснить, существует ли какое-нибудь количественное соотношение между теплотой и механической энергией. Для проведения таких исследований требовалось, однако, значительно больше информации. Нужно было знать тепловые свойства материалов, в частности знать, насколько повышается температура различных материалов при подведении к ним тепла. Это свойство выражается так называемой удельной теплоемкостью — количеством тепла, которое требуется, чтобы повысить температуру единицы массы на один градус.

Исследования по калориметрии начались еще тогда, когда не бы­ло выяснено, что теплота имеет две меры: температуру и количество теплоты, еще не существовало понятие теплоемкости и т. д. Именно в процессе развития прежде всего калориметрических исследований и сформировались эти основные понятия теплофизики. Первые ис­следования по

калориметрии, давшие существенные    результаты, принадлежат петербургскому академику Георгу Рихману (1711 — 1753). В 1744 г. Рихман установил формулу для температуры сме­си. Он полагал как само собой   разумеющееся, что если теплота, распределенная в какой-либо массе жидкости, затем распределяется в такой же жидкости, имеющей массу в k раз большую, то темпера­тура при этом уменьшается в k раз

Хотя Рихман уже интуитивно чувствует, что для тепловых явлений следует различать две величины — температуру и количество теплоты, тем не менее он еще не разделяет их. Рихман использовал термин «теплота» и в смысле температуры, и в смысле количества теплоты, хотя употреблял и термин «температура».                                                                                

Вопрос о распределении теплоты между неоднородными телами был более сложным. Опыты по определению температуры смеси двух разных жидкостей проводились еще до исследования Рихмана. Так, например, Бургаве измерял температуру смеси воды и ртути, имеющих первоначально разные температуры. Но как в общем случае распределяется теплота при тепловом контакте различных тел, было еще не ясно. Высказывались некоторые догадки, предполагалось, что теплота распределяется равномерно объему. Однако вскоре выяснилось, что этот вопрос решается так просто. Исследования привели к возникновению понятия удельной теплоемкости и выявили, что эта величина не имеет   простой связи ни с каким свойством того или иного вещества. Были измерены удельные теплоемкости ряда веществ.

Первые измерения удельной теплоемкости произвел Блэк (1728—1799); его работа опередила эксперименты Румфорда и Дэви, но так как Блэк излагал свои идеи глав­ным образом на лекциях, они были полностью опублико­ваны лишь после его смерти. Дэви был смелее Румфорда и высказал предположение, что теплота — это «своеоб­разное, вероятно, колебательное движение мельчайших частиц тел». Его ответ был правильным. Насколько редко встречаются такие люди! Блэк со своим сотрудником Мар­тином налил равные объемы воды и ртути в одинаковые со­суды, поместил их на равных расстояниях от огня и наблю­дал за скоростью повышения температуры воды и ртути. Блэк был в полной уверенности, что температура ртути будет повышаться медленнее, чем воды, так как масса ртути в 13,5 раза больше. Представьте себе его удивление, когда он увидел, что температура ртути повышалась вдвое быстрее. Блэк обнаружил, что ртуть имеет малую удельную теплоемкость — примерно ¹/₂₇, или 0,037 удель­ной теплоемкости воды; как мы теперь знаем, это значение равно 0,033.

Важным было открытие теплоты плавления. Оно было сделано английским ученым Джозефом Блэком (1728—1799). Еще в 50-х годах он установил, что если взять определенную массу льда при температуре его плавления и такую же массу воды при температуре примерно 80°С, то в результате смешивания весь лед растает, а температура воды станет равной первоначальной температуре льда (т. е. 0°С). Отсюда он сделал вывод, что на процесс таяния льда затрачивается определенное количество теплоты, хотя температура его при этом не изменяется. Теплота поглощается водой, образовав шейся из льда. Эта теплота была названа Блэком «скрытой теплотой». Блэк также открыл существование «скрытой теплоты парообразования».

Проводились исследования распределения теплоты между телами из различных веществ при тепловом контакте. В результате воз никло понятие о теплоемкости и удельной теплоемкости. Были проведены измерения удельных теплоемкостей ряда твердых и жидких тел. При этом совершенствовалась техника калориметрических исследований, были   сконструированы   простейшие   калориметры. Постепенно выяснялся и вопрос о мерах теплоты и о различии понятий температуры и количества теплоты. Блэк уже в 1753 г. в своих лекциях специально подчеркивал:

«Когда мы говорим о распределении теплоты, всегда нужно различать количество теплоты и силу теплоты и не смешивать эти две величины»

Развитие калориметрических исследований было связано с представлением о сохранении количества теплоты при ее распределении между телами (это представление использовали и при исследовании теплопроводности). Постепенно физики и химики привыкали пользоваться уравнением теплового баланса, на основе которого производятся все калориметрические расчеты. Уравнение теплового баланса для простейшего случая использовал уже Рихман. В более общей форме им пользовался Блэк.

Можно считать, что к 80-м годам XVIII в. сложились основные понятия учения о теплоте. В вышедшем в 1783 г. сочинении «Мемуар о теплоте» французских ученых Антуана Лавуазье (1743—1794) и Пьера Лапласа (1749—1827), подводящем как бы итог развития учения о теплоте, понятия температуры, количества теплоты, теп­лоемкости и т. д. считаются уже установленными.

Исследуются явления передачи теплоты, которые также играли важную роль в установлении основных понятий учения о теплоте. В работе 1701 г., посвященной вопросам теплоты, Ньютон устано­вил закон охлаждения тел:

«Теплота, которую нагретое железо сообщает в заданное время смежным с ним холодным телам, т. е. теплота, которую железо утрачивает в продолжении заданного времени, пропорциональна всей теплоте железа; поэтому, если време­на охлаждения принимать равными, то теплоты будут в геометрической про­грессии».