.RU

§ 1.3. Краткий очерк развития представлений о природе тепловых явлений - Учебник для углубленного изучения физики


^ § 1.3. Краткий очерк развития представлений о природе тепловых явлений

Несмотря на видимую простоту и очевидность тепловых явлений, для понимания их сути ученым пришлось напряженно работать несколько сотен лет. История создания теории тепловых процессов — пример того, каким сложным и подчас противоречивым путем добываются научные истины.


^ Воззрения древних


Большинство философов древности были склонны рассматривать огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно были сделаны попытки связать теплоту с внутренними движениями в телах, так как было замечено, что при соударении тел или трении их друг о друга они нагреваются.


^ Зарождение научной теории тепла


Первые успехи на пути построения научной теории тепла относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов. Этот прибор, к которому мы все так привыкли, по словам Р. Майера (одного из первооткрывателей закона сохранения энергии), явился «могущественным инструментом в титанической борьбе между истиной и заблуждением». Но о том, что же именно измеряют термометром, единого мнения не было. Вплоть до второй половины XVIII в. отсутствовало ясное разграничение понятий «температура» и «количество теплоты».

Экспериментальные исследования с применением термометра вновь остро поставили вопрос о том, что же такое теплота. Четко наметились две диаметрально противоположные точки зрения. Согласно так называемой вещественной теории тепла теплоту связывали с особого рода невесомой жидкостью, способной перетекать от одного тела к другому. Эта жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела.

Согласно другой точке зрения, теплота — это вид внутреннего движения частиц, составляющих тела. Чем быстрее движутся частицы, тем выше температура тела. В этой теории тепловые явления связывались с атомистическим учением древних философов о строении вещества. Теория первоначально называлась корпускулярной теорией тепла (от латинского слова corpusculum — частица). Ее придерживались такие выдающиеся ученые, как И. Ньютон, Р. Гук, Р. Бойль, Д. Бернулли и др.

Большой вклад в развитие корпускулярной теории был сделан великим русским ученым М. В. Ломоносовым. Ломоносов рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории он дал правильное, в общих чертах, объяснение явлений плавления, испарения и теплопроводности. Им был сделан вывод о существовании «наибольшей или последней степени холода», когда движение частиц вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова и его авторитету среди русских ученых было мало сторонников вещественной теории тепла.


^ Теория теплорода


Несмотря на привлекательность и глубину корпускулярной теории тепла, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того, как экспериментально было доказано сохранение количества теплоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении (не-уничтожимости) тепловой жидкости — теплорода. На основе вещественной теории теплоты были введены понятия теплоемкости тел, удельных теплот парообразования и плавления, построена количественная теория теплопроводности. Многими терминами, введенными в то время, мы пользуемся и сейчас.

С помощью корпускулярной теории теплоты не удавалось получить столь важные для физики количественные связи между различными величинами, характеризующими тепловые процессы. В частности, эта теория не смогла объяснить, почему теплота сохраняется при теплообмене. В те времена не была ясна связь между механической характеристикой движения частиц — их кинетической энергией и температурой тела. Понятие энергии вообще еще не было введено в физику. Поэтому на основе корпускулярной теории в XVIII в. не могли быть достигнуты те немалые успехи в развитии количественной теории тепловых явлений, какие были сделаны с помощью простой теории теплорода. Для своего времени теория теплорода была прогрессивной.




^ Ломоносов Михаил Васильевич (1711— 1765) — великий русский ученый-энциклопедист, поэт и общественный деятель, основатель Московского университета, носящего его имя. А. С. Пушкин назвал М. В. Ломоносова «первым русским университетом». М. В. Ломоносову принадлежат выдающиеся труды по физике, химии, горному делу и металлургии. Он развил молекулярно-кинетическую теорию теплоты, в его работах предвосхищены законы сохранения массы и энергии. М. В. Ломоносов создал фундаментальные труды по истории русского народа, он является основоположником современной русской грамматики.


^ Крах теории теплорода


В конце XVIII в. вещественная теория теплоты начала сталкиваться со все большими и большими трудностями и к середине XIX в. потерпела полное и окончательное поражение.

Большим числом разнообразных опытов было показано, что сохраняющейся «тепловой жидкости» не существует. Например, при совершении работы силами трения можно получить от двух тел любое количество теплоты; тем большее, чем большее время силы трения совершают работу. В то же время при совершении работы паровой машиной пар охлаждается и теплота исчезает.

Итак, простая идея о сохранении невесомой жидкости — теплорода оказалась ложной. Но нельзя сказать, что ученые с самого начала стали жертвами грубого, непростительного заблуждения. Сходная мысль о сохранении некой «электрической жидкости», высказанная в начале развития теории электричества, оказалась в общих чертах верной. В нее после открытия дискретного строения электричества и двух знаков электрических зарядов были внесены лишь поправки.

В середине XIX в. опытным путем была доказана эквивалентность механической работы и количества теплоты, переданной телу. Подобно работе, количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание или охлаждение тела связано не с увеличением или уменьшением в нем количества особой невесомой жидкости, а с увеличением или уменьшением его энергии.

Принцип сохранения теплорода был заменен более общим и глубоким принципом — законом сохранения энергии.

^ § 1.4. Термодинамика и молекулярно-кинетическая теория

Термодинамика


Открытие закона сохранения энергии позволило создать во второй половине XIX в. количественную теорию тепловых процессов — термодинамику.

Термодинамика возникла при изучении оптимальных условий использования теплоты для совершения работы задолго до того, как молекулярно-кинетическая теория получила всеобщее признание. (Вещество обладает многими свойствами, которые можно изучать, не углубляясь в строение вещества.) Термодинамика — это теория тепловых явлений, в которой не учитывается молекулярное строение тел. Так как в этой теории не вскрывается сущность тепловых процессов, то термодинамику называют феноменологической (описательной) теорией тепла.

В термодинамике тепловые явления описываются с помощью величин, регистрируемых приборами, не способными реагировать на воздействие отдельных молекул (термометр, манометр и др.). Все законы термодинамики относятся к большим телам, число молекул в которых огромно. Такие тела в физике называют макроскопическими. Энергия макроскопического тела во много раз превышает энергию отдельных молекул. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень, земной шар (рис. 1.1) — все это примеры макроскопических тел. Наше тело — это тоже макроскопическое тело.




Рис. 1.1


Тепловые процессы связаны с передачей и превращением энергии. Поэтому основные законы термодинамики относятся к поведению энергии. Первым законом термодинамики является закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления.

Во втором законе речь идет о направлении энергетических превращений: утверждается, что теплота не может быть целиком превращена в работу.


^ Молекулярно-кинетическая теория


Открытие закона сохранения энергии дало мощный импульс развитию корпускулярной теории тепла, получившей название молекулярно-кинетической теории.

В этой теории ставилась задача объяснения всех процессов, происходящих в макроскопических телах, на основе предположения о том, что вещество состоит из атомов и молекул, движение которых подчиняется законам механики Ньютона.

В конце XIX в. по-прежнему не было прямых экспериментальных доказательств реальности атомов и молекул, хотя многие факты можно было легко объяснить, допустив существование атомов. Ученым, развивавшим молекулярно-кинетическую теорию, пришлось вести длительную борьбу со сторонниками так называемого энергетизма.

Приверженцы энергетизма считали единственной посильной задачей науки описание явлений, доступных непосредственному наблюдению. Попытки привлечения в науку таких неосязаемых объектов, как атомы и молекулы, они полагали недопустимыми. По их мнению, не только получить достоверные сведения о свойствах атомов и молекул, но и доказать экспериментально их существование невозможно. Признавая закон сохранения энергии, эти ученые по существу отрывали энергию от ее материальных носителей — движущихся атомов и молекул.

Лишь в начале XX в. борьба с энергетизмом завершилась полной победой сторонников молекулярно-кинетической теории. ^ Была построена последовательная теория поведения больших коллективов атомов и молекул — статистическая механика (современное название молекулярно-кинетической теории). Справедливость этой теории была доказана многочисленными опытами.


^ Термодинамика и статистическая механика


После создания статистической механики термодинамика не утратила своего значения. Ее общие законы справедливы для всех веществ независимо от их внутреннего строения. С помощью термодинамики сравнительно просто объясняются тепловые явления и выполняются расчеты важных технических устройств, однако при этом многие величины, например теплоемкости, должны быть определены экспериментально.

Статистическая механика позволяет на основе определенных представлений о строении вещества вычислять теплоемкости тел и другие величины, которые термодинамика заим-

ствует непосредственно из опыта. Но количественная теория твердого и особенно жидкого состояния вещества очень сложна, и не всегда необходимые вычисления могут быть выполнены до конца. В ряде случаев простые расчеты, основанные на законах термодинамики, оказываются незаменимыми.

В настоящее время в науке и технике с успехом используются оба метода описания тепловых явлений — термодинамический и статистический. Они взаимно дополняют друг друга. Но статистическая механика — более глубокая теория, в которой полностью вскрывается сущность тепловых явлений. Сами законы термодинамики можно обосновать в рамках статистической механики.


-5-prestupleniya-narushayushie-otnosheniya-l-l-kruglikov-rekomendovan-ministerstvom-obrazovaniya.html
-5-priobretenie-i-prekrashenie-prava-sobstvennosti-ponyatie-sobstvennosti.html
-5-promishlennost-i-transport-v-poreformennoj-rossii-istoriya-rossii-s-drevnejshih-vremen-do-konca-xx-veka.html
-5-puti-razvitiya-stran-azii-afriki-i-latinskoj-ameriki-vsemirnaya-istoriya-xx-vek-uchebnik-dlya-shkolnikov-1011-klassov.html
-5-realizaciya-gosudarstvennoj-vlasti-predislovie.html
-5-romantizm-v-russkoj-literature-1810-1820-godov-istoriya-russkoj-kulturi-xix-vek.html
  • lesson.bystrickaya.ru/tehnologiya-vozdelivaniya-kukuruzi.html
  • turn.bystrickaya.ru/otchyot-po-discipline-bazi-dannih-tema.html
  • kontrolnaya.bystrickaya.ru/programma-uchebnoj-disciplini-marketing.html
  • university.bystrickaya.ru/glava-14-ne-izbegnesh-ti-doli-krovavoj.html
  • write.bystrickaya.ru/feniks-stranica-16.html
  • textbook.bystrickaya.ru/itogo-vnutrennyaya-otdelka-tehnicheskoe-zadanie-razdel-1-obshie-trebovaniya-predmet-konkursa-nachalnaya-maksimalnaya.html
  • bukva.bystrickaya.ru/rasskaz-dela-semejnie-stranica-3.html
  • write.bystrickaya.ru/evropejskata-politika-za-ssedstvo-i-stranite-ot-iztochna-evropa-i-yuzhen-kavkaz.html
  • education.bystrickaya.ru/2-sazajcev-pervij-direktor-yalchikskoj-srednej-shkoli-chernov-p-n-istoriya-yalchikskoj-srednej-obsheobrazovatelnoj.html
  • write.bystrickaya.ru/glava-33-regionalnie-organizacii-po-metrologii-krilova-g-d-k85-osnovi-standartizacii-sertifikacii-metrologii.html
  • portfolio.bystrickaya.ru/polozhenie-o-provedenii-gorodskih-lichno-komandnih-sorevnovanij-po-voenno-prikladnomu-mnogoboryu-yunij-zashitnik-otechestva-v-ramkah-gorodskih-kompleksnih-sorevnovanij-po-yunarmejskomu-mnogoboryu-celi-i-zadachi.html
  • laboratornaya.bystrickaya.ru/razdel-6-finansovij-kontrol-i-audit-v-byudzhetnoj-sfere-2-osnovi-professionalnoj-etiki-buhgaltera-123-tema-obshie.html
  • literature.bystrickaya.ru/chast-1-a1-programma-po-literature.html
  • pisat.bystrickaya.ru/test-11-klass-oushilarina-aralan-metobolizm-aj-tlden-alinan.html
  • paragraf.bystrickaya.ru/yolochka-izumrudnaya-igolochka-dlya-srednej-shkoli.html
  • thesis.bystrickaya.ru/programma-disciplini-universalnie-mehanizmi-kulturi-dlya-napravleniya-080100-62-ekonomika-podgotovki-bakalavra-dlya-specialnosti-080105-65-finansi-i-kredit-podgotovki-specialista-avtor-dobrohotov-aleksandr-lvovich.html
  • prepodavatel.bystrickaya.ru/tema-1-v-v-e-d-e-n-i-e-uchebnoe-posobie-kemerovo-2004-udk-637-5.html
  • abstract.bystrickaya.ru/32kreditnie-chasi-upravlenie-uchebnim-processom-v-vuze-v-usloviyah-perehoda-na-mezhdunarodnie-standarti-visshego-obrazovaniya.html
  • upbringing.bystrickaya.ru/krizis-vnimaniya.html
  • student.bystrickaya.ru/24-sentyabrya-1990-httpwww-versiasovsek-rumaterial-php4017.html
  • testyi.bystrickaya.ru/bakalavri-programma-universiteti-rossii.html
  • student.bystrickaya.ru/1obshie-svedeniya-razrabotka-i-vnedrenie-tehnologii-kompleksnoj-avtomatizirovannoj-sistemi-upravleniya-passazhirskimi.html
  • holiday.bystrickaya.ru/multimedijnaya-podderzhka-obrazovatelnogo-processa-v-9-11-klassah-kak-sredstvo-formirovaniya-informacionno-kommunikativnoj-kompetencii-uchashihsya-slobozhanina-e-a-uchitel-anglijskogo-yazika.html
  • znaniya.bystrickaya.ru/rabochie-gruppi-nasilstvennie-ili-nedobrovolnie-zaderzhaniya-rukovodstvo-po-celyam-i-zadacham-sistemi-pravozashitnih.html
  • school.bystrickaya.ru/52-skazka-o-pune-i-pavane-kniga-predstavlyaet-soboj-sbornik-dialogov-mezhdu-ogromnim-kolichestvom-mudrecov-sobravshihsya.html
  • upbringing.bystrickaya.ru/metodicheskie-rekomendacii-k-vipolneniyu-kursovoj-raboti-dlya-studentov-specialnosti-080109-buhgalterskij-uchet-analiz-i-audit.html
  • zadachi.bystrickaya.ru/osobennosti-iskusstvennih-sputnikov-zemli-na-primere-sputnikovih-sistem-svyazi-chast-2.html
  • control.bystrickaya.ru/episkop-vasilii-krivosheie.html
  • student.bystrickaya.ru/112-rezultati-ispolneniya-v-2010-godu-gosudarstvennoj-funkcii-po-kontrolyu-za-rashodovaniem-subvencij-upravleniem-roszdravnadzora-po-karachaevo-cherkesskoj-respublike.html
  • lecture.bystrickaya.ru/arhitekturnoe-formirovanie-nauchno-proizvodstvennih-zdanij-innovacionnogo-napravleniya.html
  • report.bystrickaya.ru/i-v-krilov-rukovoditel-izdatelskogo-proekta-kand-sociol-nauk-stranica-7.html
  • composition.bystrickaya.ru/organizaciya-i-provedenie-prakticheskoj-chasti-ekzamena-po-informatike-i-ikt-v-ramkah-gia-vipusknikov-9-klassov-ou-zabajkalskogo-kraya.html
  • obrazovanie.bystrickaya.ru/pravila-frazeologii-radioobmena-pri-vipolnenii-poletov-i-obsluzhivanii-vozdushnogo-dvizheniya-glava-obshie-polozheniya-stranica-6.html
  • pisat.bystrickaya.ru/tema-uroka-dobro-i-zlo-rabochaya-programma-kursa-osnovi-religioznih-kultur-i-svetskoj-etiki-modul-svetskaya-etika.html
  • holiday.bystrickaya.ru/mezhdunarodnaya-konferenciya-po-inzhenernomu-obrazovaniyu-i-issledovaniyam-v-chehii.html
  • © bystrickaya.ru
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.