Учебник для углубленного изучения физики
 Скачать 6.2 Mb.
|
§ 1.2. Тепловые явленияТепловые явления в окружающем нас мире столь же распространены, как и механические. Это самые значительные, самые заметные после механического движения явления. Они, как правило, связаны с нагреванием или охлаждением тел, с изменением их температуры. Роль тепловых явлений Привычный облик нашей планеты существует и может существовать только в довольно узком интервале температур. Если бы температура превысила 100 °С, то на Земле не стало бы рек, морей и океанов, не было бы воды вообще. Вся вода превратилась бы в пар. При понижении температуры на несколько десятков градусов моря и океаны превратились бы в громадные ледники*. * Предполагается, что давление воздуха при этом остается равным обычному атмосферному. При смене времен года на средних широтах изменение температуры на 20—30 °С меняет весь облик планеты. С наступлением весны начинается пробуждение природы. Леса одеваются листвой, зеленеют луга. Зимой же жизнь растений замирает. Толстый слой снега покрывает землю. Еще более узкие интервалы температур необходимы для поддержания жизни теплокровных животных. Температура животных и человека поддерживается внутренними механизмами терморегуляции на строго определенном уровне. Достаточно температуре повыситься на несколько десятых градуса, как мы уже чувствуем себя нездоровыми. Изменение же температуры на несколько градусов ведет к гибели организмов. Поэтому неудивительно, что тепловые явления привлекали внимание людей с древнейших времен. Умение добывать и поддерживать огонь сделало человека относительно независимым от колебаний температуры окружающей среды. Это было одним из величайших открытий человечества. Роль огня отражена в поэтическом древнегреческом мифе о Прометее. Прометей похитил огонь с Олимпа и передал его людям. За это он был прикован Зевсом к скале и обречен на многолетние мучения. Свойства тел и температура Почти все свойства тел зависят от температуры. Так, при нагревании и охлаждении меняются размеры твердых тел и объемы жидкостей. Значительно меняются при нагревании или охлаждении обычные механические свойства тел, например упругость. Кусок резиновой трубки не пострадает, если при комнатной температуре ударить по нему молотком. Но при сильном охлаждении резина становится хрупкой, как стекло, и от легкого удара резиновая трубка разбивается на мелкие кусочки. Лишь после нагревания резина вновь обретает прежние свойства. Кроме механических свойств, при изменении температуры меняются и другие свойства тел: сопротивление электрическому току, магнитные свойства, оптические и пр. Так, если сильно нагреть постоянный магнит, то он перестанет притягивать железные предметы. Тепловые процессы и строение вещества Течение тепловых процессов непосредственно связано со строением вещества, его внутренней структурой. Например, тот факт, что нагревание парафина на несколько десятков градусов делает его жидким, а нагревание железного стержня на столько же градусов заметным образом на него не влияет (он только начинает обжигать пальцы), несомненно связан с тем, что внутреннее строение парафина и железа различно. Поэтому тепловые явления можно использовать для выяснения структуры вещества. И наоборот, определенные представления о строении вещества способны пролить свет на физическую сущность тепловых явлений, дать им глубокое и наглядное истолкование. Тепловые явления в технике Очень важно, что открытие законов, которым подчиняются тепловые явления, позволяет с максимальной пользой применять эти явления на практике и в технике. Современные тепловые двигатели, холодильные установки, установки для сжижения газов и многие другие устройства конструируют на основе этих законов. § 1.3. Краткий очерк развития представлений о природе тепловых явленийНесмотря 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. |