Физике становится тепло. Лорд Кельвин. Классическая термодинамика - [17]
Лорд Кельвин со своими студентами в лаборатории в Университете Глазго.
Фон Гельмгольц, немецкий врач и физик, внесший значительный вклад в сохранение энергии.
Джеймс Джоуль, английский физик, чьи работы привели к формулировке первого закона термодинамики.
Уильям Томсон. Снимок сделан в 1860-х годах.
Кроме того, с помощью теплорода объяснялось существование твердых, жидких и газообразных тел. Без этой субстанции вся материя была бы организована в однородных твердых телах, поскольку все атомы притягивались бы друг к другу и соединялись бы. Следовательно, жидкая и газообразная материя формировались в результате воздействия отталкивающей силы — теплорода. В твердых телах количества теплорода недостаточно, чтобы препятствовать гравитационному притяжению атомов. Жидкости, наоборот, обладают достаточно высоким количеством теплорода, из-за этого их атомы не находятся в устойчивом положении. В газах гравитационное притяжение практически равно нулю, и из-за теплорода они стремятся расширяться, пока не заполнят все свободное пространство.
Теплопередача от теплых тел к холодным также прекрасно вписывалась в теорию. Чем меньше теплорода в теле, тем больше его атомы «желают» его получить. Если нагреть твердый брусок с одной стороны, то атомы, расположенные на этом конце, получают больше теплорода, чем соседние, и для удовлетворения «жажды» последних образовывается поток теплорода от одних атомов к другим, пока количество этой субстанции во всем теле не уравновесится.
Однако у этой теории были и свои критики. Несколько открытий Бенджамина Томпсона, графа Румфорда ( 1753-1814), американского врача и физика, поставили под сомнение ее справедливость. Например, Румфорд указал, что если кусок льда нагреть до его превращения в воду, то она будет занимать минимальный объем примерно при +5 °С, то есть нагревание не всегда предполагает расширение. Это же происходит и с другими веществами, однако ученые сочли, что подобные возражения не могут поколебать теорию теплорода.
В 1798 году Бенджамин Томпсон опубликовал доклад под названием «Исследование источника тепла, вызываемого трением», в котором рассказал о том, как сверло, с помощью которого высверливается канал в пушечном стволе, нагревается во время работы так сильно, что позволяет почти довести до кипения воду, используемую для охлаждения. Это явление могло быть объяснено тем, что при отделении металлической стружки часть теплорода, содержащегося в веществе металла, высвобождается, нагревая все элементы, задействованные в процессе. Но после этого граф Румфорд провел другой эксперимент>, использовав тупое сверло>, которое не могло снять никакой стружки, однако производило при работе примерно столько же тепла. Кроме того, ученый подсчитал, что если бы все тепло, выделившееся при сверлении ствола, было передано пушке, она бы просто расплавилась. Тепло не может исходить из пушки, следовательно, оно образовывается в процессе трения между сверлом и металлом. Однако современники этот факт проигнорировали.
Джеймс Прескотт Джоуль — физик-любитель, родился 24 декабря 1818 года в Солфорде (Англия), рядом с Манчестером. Его родители владели пивным заводом, и сам Джоуль руководил его работой вплоть до продажи предприятия в 1854 году. Опыт, полученный при изготовлении пива, позволил ему в дальнейшем решить многие практические вопросы, которые встали перед ним во время физических экспериментов в лаборатории, оборудованной в собственном доме Джоуля.
В 1840 году он сформулировал два закона, имевших огромное значение. Согласно первому, тепло, образованное электрическим проводником, когда по нему проходит постоянный ток, пропорционально квадрату этой силы, электрическому сопротивлению проводника и времени, в течение которого проходил ток. Согласно второму закону, внутренняя энергия идеального газа не зависит от его давления или от объема - только от температуры. В 1843 году исследователь смог установить, что эффект от нагревания проводников при прохождении через них тока является не результатом теплопередачи от какой-либо части экспериментальной установки, а происходит от образования тепла на месте. Это открытие популярная на тот момент теория теплорода объяснить не могла. В последующие годы Джоуль работал над определением механического эквивалента тепла, то есть связи между единицами измерения механической энергии и тепла, что было основополагающим шагом для установления законов термодинамики и сохранения энергии. В 1850 году он получил значение в 4, 159 джоуля на калорию, что очень близко значению, принятому сегодня (4, 1868 джоуля на калорию). Использованное устройство схематически изображено на рисунке. Оно представляет собой груз (справа), связанный с помощью провода с осью, вращающей лопасти внутри сосуда, наполненного водой и термически изолированного. Благодаря вращению лопастей температура воды увеличивалась на величину, которую Джоуль смог измерить с точностью в 3/1000 градуса, что в то время было невероятно. Исследованиям Джоуля были возданы многочисленные почести; среди прочих наград он получил медаль Королевского общества в 1852 году и медаль Копли в 1878 году. Также ученый возглавлял Британскую ассоциацию развития науки в 1872 и 1887 годах. В его честь единица энергии в Международной системе единиц носит название джоуль.
