Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез - [29]
Бедному Уотерстону не повезло: была отвергнута не только его статья. Его идеи также проигнорировали, когда он представил их Британской ассоциации содействия развитию науки на ежегодном собрании 1851 года. Там он сказал следующее:
«Равенство давления и температуры в газах происходит, когда количества атомов на единицу объема равны и живая сила [кинетическая энергия] каждого атома одинакова».
Он сравнил две величины, которые, по мнению его уважаемых коллег, было невозможно сравнивать: кинетическую энергию частиц и температуру газа. Утверждая, что средняя кинетическая энергия молекул газа одинакова, он дал первую формулировку того, что позже стало известно как теорема о равнораспределении кинетической энергии. Таким образом, Уотерстон дал физическое объяснение температуры, но, вероятно удрученный отсутствием интереса со стороны своих коллег, не смог увидеть, какие возможности открывает его предположение. Вместо него это сделал Максвелл в работе 1860 года «.Пояснения к динамической теории газов».
Теоретический гений Максвелла позволил ему сделать на основе тех же идей, которые высказывал и Уотерстон, интересные выводы о некоторых свойствах газов, подтвержденных экспериментами. Основная идея расчетов Максвелла заключалась в ряде довольно простых предположений. Во-первых, газы состоят из огромного числа одинаковых частиц, которые интенсивно двигаются. Во-вторых, размер частиц ничтожен по сравнению со свободным пространством между ними, и когда они сталкиваются (а частицы это делают постоянно), то отскакивают, не теряя ни малейшей части первоначальной энергии. В лучшем случае часть энергии может перейти от одной частицы к другой (молекулы также выполняют принцип сохранения энергии, и мы предполагаем, что они совсем не передают энергию молекулам, составляющим сосуд). В-третьих, частицы обладают единственной энергией — собственно, кинетической энергией их движения по сосуду. Все эти условия возможны только тогда, когда газ является одноатомным, то есть его атомы не образуют между собой связей. В противном случае у частиц газа имеется и иная энергия из-за того, что в таком газе существуют другие виды собственного движения: например, колебания и вращения вокруг центра тяжести.
Максвелл и его супруга Кэтрин в 1869 году.
Людвиг Больцман дал объяснение энтропии с точки зрения микропроцессов. В 1870-х годах австрийский физик опубликовал ряд статей, в которых признавал важность электромагнитной теории Максвелла.
Джон Джеймс Уотерстои. Его объяснения давления газа и тепла игнорировали, пока в 1892 году Джон Уильям Стретт не опубликовал его статью, которая была отвергнута Лондонским королевским обществом.
Немецкий физик Герман фон Гельмгольц был первым, кто математически сформулировал принцип сохранения энергии. Портрет кисти Людвига Кнауса 1881 года. Старая национальная галерея, Берлин.
Вооружившись этими предположениями, Максвелл воспроизвел результат Уотерстона и, кроме того, получил один из самых важных результатов недавно зародившейся кинетической теории газов: средняя кинетическая энергия зависит исключительно от температуры, а не от массы или числа атомов, составляющих молекулу. Следствия из этого вывода невероятны. Последний доказывает существование связи между микроскопическими и макроскопическими свойствами газов, но в основном предлагает новый взгляд на то, что такое температура и тепло. Если сравнить два газа при разной температуре, самым теплым из них будет тот, молекулы которого имеют наибольшую кинетическую энергию. А если мы нагреваем самый холодный газ, чтобы он достиг той же температуры, что и теплый, то на самом деле мы увеличиваем кинетическую энергию его молекул или, что то же самое, увеличиваем их скорость.
Газы отличаются от других форм материи не только способностью неопределенно распространяться, а также занимать любой сосуд, каким бы большим он ни был (поскольку тепло оказывает большое действие на его расширение), но и однородностью, и простотой законов, которые регулируют эти изменения.
Джеймс Клерк Максвелл, «Теория тепла» (1871)
С помощью кинетической теории мы также способны объяснить, почему если смешать два газа с разной температурой, она стремится выровняться. Молекулы более теплого газа имеют большую кинетическую энергию, чем молекулы холодного. При смешении молекулы обоих газов начинают сталкиваться друг с другом, и, как это обычно происходит с бильярдными шарами, молекулы с наибольшей энергией обычно передают часть ее молекулам с наименьшей энергией. Результат: если мы позволим пройти достаточному количеству времени, в итоге получим одно и то же распределение энергии во всех молекулах, то есть достигнем теплового равновесия.
С микроскопической точки зрения энергия газа — просто сумма всех значений энергии молекул, которые его составляют. Но можем ли мы разграничить два типа передачи энергии — работу и тепло? Определенно да. Представим поршень паровой машины, превращающей тепло в работу. При нагревании пар, закрытый в цилиндре, толкает поршень. Мы сказали, что внутренняя энергия газа — это только кинетическая энергия частиц, или, что то же самое, движение частиц. То есть получается передача движения. Но движение частиц газа беспорядочное, все они идут в разных направлениях. Однако когда поршень двигается, его молекулы все перемещаются в одном и том же направлении: это упорядоченное движение. Вот в чем различие между теплом и работой — в типе движения частиц. Передача энергии в виде тепла (нагревание газа) — это всего лишь частицы, движущиеся беспорядочно, каждая сама по себе. Однако когда перемещение происходит в виде работы, все они движутся упорядоченно. Следовательно, тепловая машина, функция которой — превращать тепло в работу, на самом деле трансформирует беспорядочное движение (движение частиц газа) в упорядоченное (движение частиц поршня).
