§ 1.3. Краткий очерк развития представлений о природе тепловых явлений - Учебник для углубленного изучения физики
.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
  • tetrad.bystrickaya.ru/vospitanie-detej-ostavshihsya-bez-popecheniya-roditelej-t-v-holshevnikova-nezavisimij-ekspert.html
  • thesis.bystrickaya.ru/primernie-temi-zanyatij-uchebno-metodicheskij-kompleks-po-discipline-metodika-prepodavaniya-tehnologii-s-praktikumom.html
  • composition.bystrickaya.ru/osnovnaya-obrazovatelnaya-programma-visshego-professionalnogo-obrazovaniya-napravlenie-magisterskoj-podgotovki-stranica-8.html
  • znaniya.bystrickaya.ru/rabochaya-programma-disciplina-strategicheskoe-planirovanie-specialnost.html
  • learn.bystrickaya.ru/federal-nij-gosudarstvenn-ij-obrazovateln-ij-standart-visshego-professionalnogo-obrazovaniya-po-specialnosti-proektirovanie-aviacionnih-i-raketnih-dvigatelej-stranica-4.html
  • tasks.bystrickaya.ru/4-cel-i-zadachi-programmi-pasport-programmi-naimenovanie-programma-liberalizacii-valyutnogo-rezhima-v-respublike.html
  • urok.bystrickaya.ru/primernie-voprosi-k-ekzamenu-po-informatike.html
  • thesis.bystrickaya.ru/programma-kursa-innovacionnij-menedzhment-im-programma-podgotovki-upravlencheskih-kadrov-specialnost-menedzhment.html
  • teacher.bystrickaya.ru/federalnij-gosudarstvennij-obrazovatelnij-standart-srednego-professionalnogo-obrazovaniya-po-specialnosti-151031-montazh-i-tehnicheskaya-ekspluataciya-promishlennogo-oborudovaniya-po-otraslyam-stranica-5.html
  • tetrad.bystrickaya.ru/urok-igra-chto-gde-kogda-celi-i-zadachi.html
  • learn.bystrickaya.ru/g-a-gricenko-socialnoe-proektirovanie-v-rabote-s-molodezhyu-stranica-4.html
  • institut.bystrickaya.ru/trebovaniya-k-napisaniyu-osnovnoj-chasti-raboti-posobie-po-podgotovke-i-zashite-kursovih-vipusknih-kvalifikacionnih.html
  • klass.bystrickaya.ru/4-programmi-vneurochnoj-deyatelnosti-dopolnitelnogo-obrazovaniya-i-analiz-sostoyaniya-socialno-pedagogicheskoj-sistemi.html
  • institut.bystrickaya.ru/tema-uroka-yagodnaya-polyanka.html
  • uchenik.bystrickaya.ru/gosudarstvennij-byudzhet-i-problema-optimizacii-byudzhetnih-rashodov.html
  • teacher.bystrickaya.ru/glava-20-nalogovaya-deklaraciya-po-nalogu-prakticheskoe-posobie-po-usn-chast-i-obshie-polozheniya-glava-usn-specialnij.html
  • knowledge.bystrickaya.ru/o-provedenii-zaprosa-kotirovok-na-oficialnom-sajte-gorodskogo-okruga-gorod-salavat-rb-stranica-5.html
  • zanyatie.bystrickaya.ru/shkoli-antichnoj-filosofii-v-grecii.html
  • write.bystrickaya.ru/fakultet-geograficheskij-kafedra-geoekologii-i-landshaftnogo-planirovaniya-uchebno-metodicheskij-komplekt-disciplini-metodi-kartografirovaniya-landshaftov.html
  • tests.bystrickaya.ru/kurs-vzleta-na-rulenii.html
  • lesson.bystrickaya.ru/nizhnyaya-palata-prinyala-popravki-v-ryad-statej-ugolovno-processualnogo-kodeks-stranica-24.html
  • learn.bystrickaya.ru/finansovoe-obespechenie-publichnij-otchet-osostoyanii-i-rezultatah-deyatelnosti-mou-sosh-55-za-2009-2010-uchebnij.html
  • urok.bystrickaya.ru/pozdravlyaem.html
  • laboratornaya.bystrickaya.ru/programma-vstupitelnih-ispitanij-po-magisterskoj-programme-psihologicheskoe-soprovozhdenie-obrazovaniya-lic-s-problemami-v-razvitii.html
  • institute.bystrickaya.ru/glava-6-rudolf-shtejner-v-teme-hristos-vospominaniya-o-shtejnere.html
  • zadachi.bystrickaya.ru/plani-seminarskih-zanyatij-dlya-studentov-do-uchebno-metodicheskij-kompleks-uchebnoj-disciplini-pravoohranitelnie.html
  • prepodavatel.bystrickaya.ru/tablica-ravnomerno-raspredelennih-v-intervale-01-sluchajnih-chisel-uchebno-metodicheskij-kompleks-po-discipline.html
  • paragraph.bystrickaya.ru/kompyuternaya-semya.html
  • lesson.bystrickaya.ru/municipalnoe-pravo-chast-2.html
  • learn.bystrickaya.ru/godovoj-otchet-za-2009-god-predvaritelno-utverzhden.html
  • laboratornaya.bystrickaya.ru/programma-speckursa-filosofskie-problemi-obrazovaniya-po-specialnosti-020100-filosofi-zaochnoe-otdelenie-specializacii-020102-sistematicheskaya-filosofiya.html
  • apprentice.bystrickaya.ru/znachenie-imeni-boga-v-biblii-i-ego-proiznoshenie.html
  • knigi.bystrickaya.ru/rinok-turisticheskih-uslug-kemerovskoj-oblasti.html
  • exchangerate.bystrickaya.ru/64podklyuchenie-i-pusk-elektrodvigatelya-uchebnoe-posobie-gomel-2006-soderzhanie-1-obshie-svedeniya-5-1-trehfaznaya.html
  • crib.bystrickaya.ru/impulsivnaya-model-poznaniya-kniga-izdana-pri-uchastii-izdatelstva-universitetskaya-kniga-s-peterburg-i-moskovskogo.html
  • © bystrickaya.ru
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.