ВОПРОС 3

4. Вещественная и корпускулярная теории теплоты.

Вещественная теория теплоты.

В XVIII веке Д. Блейк провёл четкую грань между количеством тепла и температурой. Он определил то, что мы теперь называем «удельной теплоёмкостью», и построил теорию теплоты как некой жидкости, которая без потерь может перетекать из горячих тел в холодные. Эта «жидкость» вскоре была названа флогистоном или «теплородом».

Д. Блейк, изучая природу теплоты, установил, что различные виды вещества одним и тем же количеством теплоты нагреваются в разной степени. Это позволило ему выявить теплоемкость различных веществ, то есть определить количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на один градус по Цельсию или Кельвину. Он установил, что при таянии льда и снега в течение определенного времени они поглощают тепло, не становясь при этом теплее. Это позволило ему обнаружить скрытое (латентное) состояние теплоты. Блейк понимал теплоту как некую материальную субстанцию («субстанцию теплоты»).

А. Лавуазье назвал ее теплородом. Попытки взвесить ее оказались неудачными, поэтому теплоту стали рассматривать как особого рода невесомую неуничтожаемую жидкость, способную перетекать от нагретых тел к холодным. Лавуазье считал, что подобная концепция была в полном соответствии с его идеей получения теплоты с помощью химических соединений. Увлечение этой концепцией оказалось столь велико, что кинетическая теория теплоты, в рамках которой теплота представлялась как определенный вид движения частиц, отступила на второй план, несмотря на то, что ее разделяли Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов.

Почему же концепция теплорода все-таки утвердилась? Для физического мышления XVIII века было характерно оперирование различными субстанциями - электрическими, магнитными, световыми, тепловыми. Свет, электричество, магнетизм, теплоту научились измерять. Это позволило уподобить невесомые феномены обычным массам и жидкостям, что способствовало развитию эксперимента и накоплению необходимых фактов. Иначе говоря, концепция невесомых жидкостей оказалась необходимым этапом в развитии физических концепций.

Нагревание тел означало наполнение пространства между атомами теплородом и увеличение его давления. Например, считалось, что между атомами воды, обладающей большой теплоёмкостью имеется много свободного места, а в свинце с его малой теплоёмкостью места для теплорода мало. Чтобы нагреть свинец нужно мало теплорода. Считалось, что теплород невесом, обладает наибольшей по сравнению с другими веществами упругостью, способностью проникать в мельчайшие поры тел и расширять их.

К 1800 г. теория теплорода казалась хорошо экспериментально обоснованной. Она позволяла легко разбираться в нагревании, охлаждении, плавлении, испарении. Но в XIX веке был открыт закон сохранения энергии. Была доказана эквивалентность количества теплоты и работы. Поэтому стало понятно, что теплота не вещество, именуемое теплородом, а форма энергии.

Корпускулярная теория теплоты

С 1840 г. теория теплорода подверглась ожесточённым нападкам. Появилось убеждение, что теплоту можно создавать за счёт механической энергии, хотя само понятие энергии было крайне неопределённым. В 40 годах Ю. Р. Майер, Д. Джоуль, Г. Гельмгольц независимо открыли закон сохранения и превращения энергии - основной закон теории тепловых явлений, известный как первое начало термодинамики. Исследования С. Карно, Р. Клаузиуса, У. Томсона привели к формированию представления о необратимости тепловых процессов в природе, так называемому второму началу термодинамики (закону энтропии).

В итоге в 1-й пол. XIX в. в связи с развитием теории тепловых машин (С. Карно) и установлением закона сохранения энергии возникла термодинамика: раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. (Неравновесные процессы изучает термодинамика неравновесных процессов.). Основные этапы развития термодинамики связаны с именами Р. Клаузиуса и У. Томсона (формулировка второго начала термодинамики), Дж. Гиббса (метод термодинамических потенциалов), В. Нернста (третье начало термодинамики). Различают химическую термодинамику, техническую термодинамику и термодинамику различных физических явлений.

Термодинамика рассматривает явления, обусловленные совокупным действием огромного числа непрерывно движущихся молекул* и других частиц, из которых состоят окружающие нас тела. Благодаря огромному количеству этих частиц беспорядочное их движение приводит к независимости макроскопических свойств от начального положения этих частиц. Термодинамика изучает тепловую форму движения материи, закономерности которого проявляются не только в атомно-молекулярных совокупностях, но и в таких системах, как электромагнитное излучение. Термодинамика изучает свойства равновесных физических систем, исходя из трех основных законов, называемых законами (началами) термодинамики, и не использует явно информации о молекулярном строении вещества.

Необходимость иметь дело с очень большими совокупностями частиц ставит вопрос об их количественной оценке. Оценить число частиц в них можно с помощью числа Авогадро, равного 6·10²³,именно такое число атомов содержится в 12 г. углерода. Кажется странным, что наука научилась описывать свойства столь огромных систем, прежде чем смогла объяснить поведение отдельных атомов. Причина этого кроется в самой основе термодинамики: термодинамические свойства системы - это средние значения, соответствующие очень большим совокупностям частиц. С такими усреднёнными свойствами больших совокупностей частиц проще иметь дело, чем с отдельными частицами.

Энергия термодинамической системы равна сумме кинетических и потенциальных* энергий всех частиц. Отсюда ясно, что полная энергия сохраняется. Существует два вида движений частиц в сложных системах: движение может быть упорядоченным как, например, в летящем мяче, когда все частицы движутся «в ногу», или неупорядоченным, когда все частицы движутся хаотически. В термодинамике мы имеем дело с такими изменениями состояния, которые вызываются очень «мягкими» тепловыми воздействиями. Как правило, энергия, сообщаемая системе при нагревании, недостаточна для расщепления атома. Именно по этой причине термодинамика стала одной из первых областей научного исследования.