Развитие представлений о природе теплоты

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
СЕВАСТОПОЛЬСКИЙНАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
                                                              
Кафедра физики
Реферат по дисциплине «История физики»  
Развитие представлений о природе теплоты
 
                             
                                    Выполнила
                                                                                студентка группы Ф-41д
                                                                           БазюраЕ.А.      
                                          
                                           Проверил
                                              Леонтович А.Л.

Севастополь
2006
План
I.Введение
 
II. Основная часть
1.Изобретение термометра.
2.Опыты Румфорда и Дэви, Блэка. Идеи Рихмана.
3.Опыты Дюлонга и Пти.
4. Исследования Фурье.
5.Работы Сади Карно.
6.Исследования расшире­ния тел при нагревании.
7.Вклад Джоуля в развитие представлений о теплоте.
8. Работы Клаузиусаи Томсона. Второе начало термодинамики.
9.Дальнейшее развитие теплофизики иатомистики.
III. Заключение
Список литературы
Введение
Тепловыми явлениями ученые ифилософы начали интересовать­ся еще в древности. Однако ниче­го кромесамых общих предполо­жений об этих явлениях, носив­шихобычно самый    фантастиче­скийхарактер, ни в древности, ни в средние века высказано не было. По-настоящему учение отепловых явлениях     начало    развиваться только в XVIIIв.По-настоящему учение отепловых явлениях     начало    развиваться только в XVIIIв. после изобрете­нияпервого теплоизмерительного прибора- термометра.   
Широко поддерживаемой среди физиков тоговремени была теория теплорода.
Румфордсделал крупный шаг вперед, предположив, что теплота — это некоесвойство самого вещества, а не что-то добавляемое к нему, он высказалпредположение, что теплота это движение. Дэвибыл смелее Румфорда ивысказал предположение, что теплота — это «своеоб­разное,вероятно, колебательное движение мельчайших частиц тел».,
ЗаконДюлонгаи Пти, согласно которому теплоемкость СVвсех твердых тел при достаточно высокой температуре есть величина постоянная,не зависящая от температуры и составляющая около 3RДж/( моль К) — значение Дюлога-Пти,был выведен в 1818г.
В начале XIXв. была создана теория теплопроводностифранцузским ученым Жаном Батистом Фурье (1768—1830). Итогом егоисследований явилась монография «Ана­литическая теория теплоты»,вышедшая в свет в 1822г. Что же касается  взглядов   Фурьена природу теплоты, то признавал теорию теплорода.
Значимый вклад в термодинамику внес Карно, его сочинениялегли в основу термодинамики, также он ввел метод циклов.Второеначало термодинамики было высказано Клаузиусом («Это предположение, выставленное мноюв качестве принципа, — пишет Клаузиус в своемобобщающем труде, — встретило много возражений, и мне пришлось его неоднократнозащищать».) и развито в трудах Томсона.
Дальнейшее развитие теплофизики былобы невозможно без работ Больцмана, Максвелла, Гей-Люсака, Джоуля, Авогадро, Дальтона, Клапейрона,Берцелиуса, Бойля, Мариотта, Гассенди, Эндрюса, Ван-дер-Ваальса, Гесса и др.
Нельзя объять необъятное, поэтому всвоем реферате я остановлюсь  подробнотолько на работах некоторых из этих ученых.
Основная часть
 
1. Изобретение термометра
История изобретения термометрадовольно длинная.Она начинается с  изо­бретения Галилеемприбора, кото­рый можно назвать термоскопом. Прибор Галилея состоял из тонкой стеклянной трубки, один конец которойзаканчивался шариком Открытый конец трубки опускался в сосуд с водой, которая заполняла и часть трубки. Когда воздух в шарикенагревался или охлаждался, столбик воды в трубке опускался илиподнимался. После Галилея многие ученыеконструировали подобного рода при боры,постепенно совершенствуя их.Стеклянные трубкистали снабжать шкалой, возникло представление о существовании постоянныхтемпературных точек и т. д. Однако первые термометры были еще очень несовершенны. В ихконструкциях не было единообразия, каждый изобретатель  выбирал  свои основные температурные точки ишкалы. Сравнивать показания различных термометров было практически нельзя.

Рис.2                    
Рисунок одного из
раннихтермометров
         Рис.1 Термоскоп Галилея
Впервые практическипригодные термометры, дающие одинаковые показания, были изготовлены голландскиммастером-стеклодувомвом Фаренгейтом в начале XVIIIв. Термометры Фаренгейта имел современный вид. Фаренгейт использовал спирт илиртуть. В его шкале, которая в последующем получила распространение, за одну основную температурную точкубыла выбрана температурасмеси воды, льда и пова­ренной соли, равная 0°. За вторую температурную точку он взялтемпературу смеси льда и воды, кото­рую принял за 32°. Температурачеловеческого тела по шкале Фаренгейта равна 96°. Эту температуру он принял за третьюосновную температурную точку. При такой шкале температура кипения воды при нормальном атмосферномдавлении оказалась рав­ной  212°.
Новый способизготовления и калибровки термометров предложил француз  Реомюр в 1730 г. Он принялодну постоянную точку — температуру тая­нияльда, а за один градус считал температуру, со­ответствующую расширению спирта на одну тысячную долю своего объема. Определяя затем темпера­туру кипения воды, он получил ее равной 80°. Эта шкалатемператур: 0° — температура таяния льда и 80°— температура кипения воды  при   нормальном атмосферном давлении —стала называться шкалой Реомюра.
В 1742 г. шведский астроном  Цельсий   предло­жил стоградуснуюшкалу температур, по которойза 0° принималась температура кипения воды, аза100° —температура таяния льда.Современнаястоградусная шкала,  носящая название шкалы Цельсия, была введена несколько позже. В XVIIIв. пред­лагались и другие температурные   шкалы, но онине удержались в процессеразвития термометрии, Интересно отметить, что появление и усовершенствование термометрав значительной степени былообусловлено его применением для метеорологичекихисследованийПервоначальнотермометр вместе сбарометром и гигрометромчасто рассматривали как метеорологическийприбор. Так, например, в«Экспериментальной физике» X. Вольфа описаниетермометрапомещено в части, носящей Название «Об опытах и наблюдениях около переменатмосферы». Термо­метр, конечно, нашел и другие при­менения. Его стали использовать в быту, медицине, дляфизических ис­следований и т. д. Однако еще в 70-х годах в немецком изданий «Эле­ментов химии» Бургаве автор писал, Iчто термометр «является, как из­вестно физико-математическим при­бором, принадлежащим к аэромет­рии». (Изобретение    термометра    дало возможность заняться количествен­ными исследованиямитепловых яв­лений.)
Вплоть до середины XIXстолетия многиесчитали теплоту своего рода ма­териальной субстанцией, добавляемой к веществу: счи­талось, что нагреваниетела связано с добавлением этой субстанции, известной под названием теплорода.Дальтон в 1802 г. рисовал схематическое изображение атомов, окру­жая их атмосферой изтеплоты. Хотя это было примитив­ное представление, его можно было подтвердитьэкспери­ментально;на нем основывается составление уравнений теплового баланса. Карно (1796—1832), трактат которого «Одвижущей силе огня» до сих пор обра­зует одну из основ физической науки, верил втеплород, хотявпоследствии пересмотрел свои представления.Родственным теплороду был флогистон; какполагали, онпредставляет собой субстанцию, отдаваемую веществом в процессе горения.Флогистон в отличие от теплорода можно было измерять, но возникла трудность,заключав­шаясяв том, что вес флогистона оказывался то отрицатель­ным, то положительным.Теория флогистона была явно противоречивой и продолжала существовать только по­тому, что никто немог придумать ничего лучшего.
2. Опыты Румфорда и Дэви, Блэка. Идеи Рихмана
Первый шаг сделал Румфорд (1753—1814) в конце XVIIIстолетия. Идея опытавозникла опять-таки из самого обычного наблюдения, которое, наверное, делалимногие до Румфорда,но не придавали ему особого значения. Речь идет о теплоте, возникающей при сверленииотверстия в куске металла. Румфорд, в частности, занимался сверле­нием пушечных стволовв 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 металлическиестружки, образующиеся при сверле­нии, обладали меньшим сродством к теплороду,чем мас­сивныйметалл, в котором сверлили отверстие. Таким обра­зом, при сверлении металлавыделяется теплород, в резуль­тате чего происходит повышение температуры.Румфорд придумалпростой способ проверить это предположение. Если взять тупое сверло, рассуждалон, то стружек обра­зуется мало и повышение температуры должно быть мень­ше.Румфорд проделал опыт: температура поднялась еще выше. Очевидно, теория теплорода негодилась.
Румфорд вспомнил более ранние теории Бойля и других ученых, согласнокоторым теплота связана с колебаниями частиц. Дальнейшие опыты убедили его в том,что теплота может создаваться без ограничений, и в конечном счете он высказал смелоеутверждение, что «теплота есть ДВИ­ЖЕНИЕ» (это слово выделил сам Румфорд).
Это утверждение часто приводят как свидетельство большойпроницательности Румфорда. Может быть, это и так, но оно свидетельствует также о большойосторож­ности.Какого рода движение представляет собой теплота? Как оно получается? Что происходит сэтим 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 — этонекое свойство самого вещества, а не что-то добавляемое к нему.
Дэви (1778—1829) произвел в Лондоне опыт, условия которого были вбольшей степени подчинены воле экспе­риментатора. Он сложил вместе два куска льда,поместил ихв сосуд, из которого был выкачан воздух, и привел их но взаимное трениепри помощи часового механизма. Выделилосьдостаточноеколичество тепла, чтобы расплавитьчасть льда, и этатеплота не могла взяться из теплорода воздуха.
Так был сделан первый важнейший шаг: было установ­лено, что теплота естьформа кинетической энергии. Сле­дующий необходимый шаг состоял в том, чтобывыяснить, существуетли какое-нибудь количественное соотношение между теплотой и механической энергией. Дляпроведения таких исследований требовалось, однако, значительно больше информации.Нужно было знать тепловые свойства материалов, в частности знать, насколькоповышается температура различных материалов при подведении к ним тепла. Это свойствовыражается так называемой удельной теплоемкостью — количеством тепла, котороетребуется, чтобы повысить температуру единицы массы на один градус.
            Рис.3 Георг Рихман                                  Рис.4 Дюлонг Пьер Луи

Исследования покалориметрии начались еще тогда, когда не бы­ло выяснено, что теплота имеет двемеры: температуру и количество теплоты, еще не существовало понятие теплоемкости и т. д.Именно в процессе развития прежде всего калориметрических исследований и сформировались эти основные понятиятеплофизики. Первые ис­следования покалориметрии, давшие существенные   результаты, принадлежат петербургскому академику Георгу Рихману  (1711 — 1753). В 1744 г. Рихман установилформулу для температуры сме­си. Он полагал как само собой   разумеющееся,   что если теплота, распределенная в какой-либо массе жидкости, затемраспределяется в такой же жидкости,имеющей массу в kраз большую, тотемпера­тура при этомуменьшается в kраз. Изэтого предположения следу­ет, что еслиимеется масса mжидкости,   в которой распределена теплота температуры t, а затем эта же теплота распределяется в массе т’такой же жидкости, то температура последней равна:
V= mt/т’.
 В общем же случае температура смесей  масс  жидкостей m1и m2  m3  имеющих соответственно первоначальныетемпературы t1и t2  t3  определяется формулой:

ХотяРихман уже интуитивно чувствует, что для тепловых явлений следует различать двевеличины — 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 ещедо исследования Рихма на. Так, например, Бургавеизмерял температуру смеси воды и ртути,имеющих первоначально разные температуры. Но как в общем случае распределяется теплота при тепловом контактеразличных тел, было еше не ясно. Высказывалисьнекоторые догадки,предполагалось, что теплота распределяетсяравномерно объему. Однако вскоре выяснилось, что этот вопрос решается так просто.Исследования привели к возникновению понятия удельной теплоемкости ивыявили, что эта величина не имеет  простой связи ни с каким свойством того или иного вещества. Были измерены удельныетеплоемкости ряда веществ.
Первыеизмерения удельной теплоемкости произвел Блэк (1728—1799); его работа опередилаэксперименты Румфорда и Дэви, но так как Блэк излагал свои идеи глав­ным образом налекциях, они были полностью опублико­ваны лишь после его смерти. Дэви был смелееРумфорда ивысказал 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 равныеобъемы воды и ртути в одинаковые со­суды, поместил их на равных расстояниях отогня и наблю­дал за скоростью повышения температуры воды и ртути. Блэк был в полнойуверенности, что температура ртути будет повышаться медленнее, чем воды, так какмасса ртутив 13,5 раза больше. Представьте себе его удивление, когда он увидел, чтотемпература ртути повышалась вдвое быстрее. Блэк обнаружил, что ртуть имеет малую удельную теплоемкость— примерно 1/27, или 0,037 удель­ной теплоемкостиводы; как мы теперь знаем, это значение равно 0,033.
Важным было открытие теплоты плавления. Оно было сделано английским ученымДжозефом Блэком (1728—1799). Еще в 50-х годах он установил, чтоесли взять определенную массу льда при температуре его плавления и такую же массу водыпри температуре примерно 80°С, то в результате смешивания весь лед растает, атемператураводы станет равной первоначальной температуре льда (т. е. 0°С). Отсюдаон сделал вывод, что на процесс таяния льда затрачивается определенноеколичество теплоты, хотя температура его при этом не изменяется. Теплотапоглощается 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 различныхвеществ при тепловом контакте. В результате воз никло понятие о теплоемкости иудельной теплоемкости. Были проведены измерения удельных теплоемкостейряда 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 иколичества теплоты. Блэк уже в 1753 г. в своих лекциях специально подчеркивал:
«Когда мы говорим о распределении теплоты, всегда нужноразличать количество теплоты и силу теплоты и не смешивать эти две величины»
Развитиекалориметрических исследований было связано с представлением осохранении количества теплоты при ее распределении между телами (этопредставление использовали и при исследовании теплопроводности). Постепенно физики ихимики привыкали пользоваться уравнением теплового баланса, на основе которогопроизводятся все калориметрические расчеты. Уравнение теплового баланса дляпростейшего случая использовал уже Рихман. В более общей форме импользовался Блэк. Обсуждая опыт смешения оди­наковых масс ртути и воды, Блэк писал:
«… когда нагретуюртуть смешивают с нагретой водой, то температура сме­си падает до 120° вместо 125° (125° — средняя температура;вода берется при температуре 100°, артуть при температуре 150° Фаренгейта). Ртуть, та­ким образом, охлаждается на 30°, а вода нагревается на20°, однако количество теплоты, котороеполучила вода» равно количеству теплоты, которое потеряла ртуть».
Можно считать, что к 80-м годам XVIIIв. сложились основные понятия учения о теплоте. В вышедшем в 1783 г.сочинении «Мемуар о теплоте» французских ученых АнтуанаЛавуазье (1743—1794) и ПьераЛапласа (1749—1827), подводящем какбы 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 вустановлении основных понятий учения о теплоте. В работе 1701 г., посвященнойвопросам теплоты, Ньютон устано­вил закон охлаждения тел:
«Теплота, которуюнагретое железо сообщает в заданное время смежным с ним холодным телам, т. е. теплота, которую железоутрачивает в продолжении заданного времени, пропорциональнавсей теплоте железа; поэтому, если време­на охлаждения принимать равными, тотеплоты будут в геометрической про­грессии».
 
3. Опыты Дюлонга и Пти
К 1819 г. двоефранцузов, Пти (1791—1820) и Дюлонг(1785—1838),собрали достаточно данных, чтобы сделать общий вывод: удельные теплоемкостихимических элемен­тов — не случайные величины, а связаны простым образом с атомными весамиэлементов.
Некоторыеученые  смотрели свысока напроцесс сбора эмпири­ческихданных, который Резерфорд позднее назвал «кол­лекционированиеммарок». Эта работа в сущности подхо­дит для тех, кто не обладает творческим умом,но может научиться методам исследования и имеет достаточное тер­пение, чтобы тщательновыполнять эксперименты. Может быть, это, так сказать, научная деятельность «второго порядка», но она темне менее играет огромную роль в раз­витии науки. Сказанное относится и к работе Пти и Дю­лонга, которые поставили перед собой задачу измерить удельные теплоемкостикак можно большего числа твердых химических элементов.
Метод Пти и Дюлонгабыл основан на измерении скоро­сти охлаждения веществ. Если некоторые количества вещества поместить водинаковые сосуды и нагреть, то скорость последующей потери ими тепла должназависеть толькоот превышения температуры нагретого вещества над температурой окружающей среды.Поэтому, сравни­вая скорости изменения температуры различных веществ, можно сопоставлять ихудельные теплоемкости. Следует отметить, что в этом методе можно не приниматьво вни­маниезакон охлаждения Ньютона — одно из получен­ных им не очень известных соотношений,— покасопо­ставляютсяскорости охлаждения двух тел от одной и той же температуры.
Результатыэкспериментов Пти и Дюлонгаобнару­жилитакую закономерность: чем тяжелее элемент, тем меньше его удельная теплоемкость. Внастоящее время понятие атома прочно заняло свое место в системе наших знаний и разработаныметоды измерения атомных весов,гораздо более точные, чем те, которыми пользовался Даль­тон. Посколькуплотность возрастает в той или иной сте­пени вместе с атомным номером, Дюлонг и Пти попробо­вали помножитьудельную теплоемкость на атомный вес и обнаружили замечательное постоянство ихпроизведения, как показывает приводимая ниже табл. 2. Атомные веса в ней взяты поотношению к атомному весу кислорода, принятому за единицу. Если считать атомный вескисло­родаравным 16, как принято в настоящее время, то про­изведение, о котором идет речь, приметизвестное значение 6,0, называемое «атомной теплоемкостью».
Таблица 1
Атомные веса элементов, взятые по отношению катомному весу кислорода, который принят за единицу
Химическийэлемент
Удельная тепло­емкость
Относительный атомный вес
Произведение
Висмут
0,0288
13,30
0,3830
Свинец
0,0293
12,95
0,3794
Золото
0,0298
12,43
0,3704
Платина
0,0314
11,16
0,3740
Олово
0,0514
7,35
0,3779
Серебро
0.0557
6,75
0,3759
Цинк
0^0927
4,03
0,3736
Теллур
0,0912
4,03
0,3675
Медь
0,0949
3.957
0. 3755
Никель
0,1035
3.69
О; 381 9
Железо
0.1100
3.392
0,3731
Кобальт
0,1498
2,46
0.3685
Сера
0,1880
2,011
0,3780
Прежде чем рассматривать значение этого результата, проанализируем цифры,приведенные в таблице. 1. Удель­ные теплоемкостибольшинства химических элементов, кро­ме теллура и кобальта, находятся в приемлемомсогласии ссовременными значениями. Большинство атомных весов также правильны,опять-таки кроме теллура и кобальта. В чем же дело? Мы можем лишь предположить, что Пти и Дюлонг ра­ботали не с темиматериалами, как они думали. Они зани­мались своими исследованиями в то время, когдаатомная теориянаходилась еще в «младенческом возрасте» — ей было20 лет — и тогдабыло много неясностей отно­сительно того, какиевещества являлись химическими эле­ментами. Теллур был открыт в 1782 г., а селен,находя­щийсяв близком химическом сродстве с ним,— в 1817 г., всего за два года до эксперимента Пти и Дюлонга. Воз­можно, они работали с селеном, а не с теллуром: согласие результатов при этомзначительно лучшее. С кобальтом дело обстоит сложнее. Атомный вес этогоэлемента около 40; трудно представить себе, какой химический элемент — металл с близкиматомным весом — можно спутать с ко­бальтом. Поэтому кобальт остается загадкой.
Птии Дюлонгсчитали, что при болееточных измерениях произведение атомного веса на удельную теплоемкость — атомнаятеп­лоемкость— должно быть в точности постоянным.  Онибыли быразочарованы, если бы взяли для своих исследо­ваний такие элементы (как, например,углерод), у которых атомная теплоемкость  значительно меньше. Это расхож­дение получилообъяснение. Дело втом, что принцип Больцмана  справедлив, если   толькоэнергия непрерывна. Как бы ни были малы количества энергии, этот принцип тре­бует, чтобы энергиямогла делиться между несколькими степенями свободы.  
Закономерность, которую нашли Пти и Дюлонг про­верялась более точными современными калориметричес­кими методами; ейподчиняется большинство химических элементов (закон, согласно которому теплоемкость СV всех твердых телпри достаточно высокой температуре есть величина постоянная, не зависящая оттемпературы и составляющая около 3RДж/( моль К) — значение Дюлога-Пти,т.е. при нагревании любого вещества на 1К каждый атом поглощает одинаковоеколичество энергии B. В классической модели твердого тела это объясняется как сумма кинетическойэнергии, по kBТ/2 на каждую степень свободы (равнораспределение),и потенциальной энергии, равной кинетической. Т.е. энергия 1 моля вещества — U= 3NakBT, а его теплоемкость — СV = (V= 3NakB = 3R, в полном соответствии с законом Дюлонга-Пти). Птии Дюлонгвывели также общую формулу скоростиохлаждения тел и изобрели катетометр.
 
4. Исследования Фурье
Дальнейшие исследования передачи теплоты показали, что этот процессосуществляется различными способами, имеющими разную физическую природу.Возникли два самостоятельных направления: изучение теплопроводности и тепловогоизлучения, В изучении теп­лового излучения в XVIIIв. были сделаны только самые первые ша­ги, что же касается вопросатеплопроводности, то во второй полови­не XVIIIв. начали проводить теоретические и экспериментальные исследованияэтого явления, а в начале XIXв. была созданатеория теплопроводностифранцузским ученым Жаном Батистом Фурье (1768—1830). Итогом его исследований явиласьмонография «Ана­литическая теория теплоты»,вышедшая в свет в1822 г.
Перваяпопытка теоретического анализа явлений теплопровод­ности была основана напрямом применении закона охлаждения Ньютона. Однако при этом возникли трудности.Закон охлаждения, если можно так сказать, интегральный закон, а для теориитепло­проводности было необходимо установить соответствующий дифференциальный закон.Если рассматривать поток тепла вдоль стержня, то для того, чтобы составитьсоответствующее дифференциальное уравнение, нужно рассматривать бесконечно близкиеслои в этом стержне. Но разность температур между такими слоями также бесконечно мала инепосредственное применение закона охлаждение Ньютона приводит к выводу, что ипоток теплоты   от слоя к слоютакже должен бытьбесконечно малой величиной.   Таким  образом, приходим к нелепому результату, равноценномуутверждению, что тело не может ни нагреваться, ни охлаждаться за к