Страница 80 из 120
Обсуждая этот предмет, мы не должны забывать учета того самого замечательного обстоятельства, что источник теплоты, порожденный трением, оказался в этих экспериментах явно неисчерпаемым…
Совершенно необходимо добавить, что это нечто, которое любое изолированное тело или система тел может непрерывно поставлять без ограничения, не может быт:, материальной субстанцией; и мне кажется чрезвычайно трудным, если не совершенно невозможным, создать какую-либо точную идею о чем-то, что в состоянии возбуждаться и передаваться подобно тому, как возбуждается и передается в этих экспериментах теплота, если только не допустить, что это что-то есть движение»[296].
Рис. 35. Схема опыта Джоуля.
1 — медный сосуд, заполненный водой; 2—мешалка с лопатками; 3 — блок; 4 — груз весом в; 5 — неподвижные лопатки.
Итак, из простых и ясных опытов Румфорда следует, что теплорода не существует, а теплота есть движение. Спустя почти 50 лет после опытов Румфорда немецкий естествоиспытатель, врач Юлиус Роберт Майер (1814–1878) сформулировал (в 1842 г.) закон эквивалентности механической работы и теплоты. Другими словами он первым сформулировал закон сохранения энергии. А в 1843–1850 гг. английский естествоиспытатель, пивовар Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) опытным путем с высокой степенью точности установил механический эквивалент тепла: 427 кгс · м/ккал. Последующие эксперименты внесли небольшую поправку к величине механического эквивалента тепла, найденного Джоулем, которая теперь принимается равной 426,935 кгс · м/ккал. На рис. 35 представлена схема опыта Джоуля. Существо опыта следующее. Груз G, падая с высоты h, производит механическую работу Gh. Вся эта работа расходуется на трение между лопастями приводимой во вращение мешалки 2 и водой, заполняющей сосуд 1. Тепло, приобретенное водой, определяется по повышению ее температуры. Очевидно, что искомое значение механического эквивалента тепла J может быть определено по уравнению
где Gh, кгс м — механическая работа, L, кгс — вес воды в сосуде 1, ккал/кгс-°С — весовая теплоемкость воды, близкая к единице; Δt, °С — повышение температуры воды.
В дальнейшем было установлено, что механическая и тепловая энергия — две формы энергии из большого числа возможных ее форм. В частности, кроме механической и тепловой энергии, существуют: химическая энергия, которой обладает, например, любое Органическое топливо, выделяющее при сжигании теплоту; ядерная (атомная) энергия — внутренняя энергия атомных ядер, освобождающаяся в виде теплоты в результате ядерных реакций; электромагнитная энергия, о которой речь будет ниже.
XVIII–XIX вв. были установлены два, как тогда полагали, независимых друг от друга закона сохранения: закон сохранения массы и закон сохранения энергии, — согласно которым масса и энергия изолированной системы неизменны. Это долгое время считавшееся незыблемым представление классической физики претерпело изменения, связанные с теорией относительности. Об этом будет сказано позднее.
Отказ от теории теплорода, естественно, включил в повестку дня вопрос о сущности теплоты. Мы уже касались этого вопроса. Согласно кинетической теории тепла, тепловая энергия есть не что иное, как сумма энергий мельчайших частиц: молекул, атомов, электронов и др. В газе, например, представляющем собой совокупность мельчайших частиц, находящихся в беспорядочном, хаотическом движении, энергия каждой из частиц определяется скоростью ее движения (ее кинетической энергией, причем принимается в расчет поступательное и вращательное движение, а также колебательное движение атомов в молекулах) и положением в отношении других частиц (ее потенциальной энергией), Тепловая энергия рассматриваемого газа в целом, согласно сказанному выше, есть сумма энергии (кинетической и потенциальной) всех единичных мельчайших частиц.
Из сказанного следует, что тепловая энергия является, по существу дела, частным, хотя и особенным случаем механической энергии. Такое понимание существа тепловой энергии укрепило представление о законах механики как об универсальных, всеобъемлющих законах, к которым могут быть сведены все явления природы.
Важное открытие, подтвердившее на основе опытных наблюдений справедливость кинетической теории, было сделано в 1827 г. английским ботаником, почетным членом Петербургской Академии наук Робертом Броуном (1773–1858). Это открытие получило широкую известность под названием броуновского движения. Броун проводил опыты с очень мелкими (порядка микрометра) частицами пыльцы растений, находящимися во взвешенном состоянии в воде. Он наблюдал за этими частицами через микроскоп и установил, что они находятся в непрерывном хаотическом движении. Опыт показал, что это движение усиливалось с ростом температуры воды и, наоборот, ослаблялось с ее понижением. Анализ наблюдений броуновского движения привел к выводу, что причиной его возникновения является непрерывная бомбардировка мелких взвешенных в воде частиц еще более малыми частицами (молекулами), составляющими воду. Эта бомбардировка, различная (и непрерывно изменяющаяся) с разных сторон, взвешенной частицы имеет, как это на первый взгляд ни удивительно, тепловую основу. Невидимые вследствие своей малости даже через лучшие микроскопы частицы воды, находящиеся в тепловом, хаотическом движении, заставляют двигаться также весьма малые, но уже видимые в микроскоп взвешенные в воде частицы.
Итак, форм энергии много, все они могут в совершенно определенных, раз установленных количествах превращаться друг в друга. Закон сохранения энергии фиксирует, что в замкнутой системе сумма всех видов энергии остается неизменной. И все-таки есть один вид энергии, который существенно отличается от всех других. Это тепловая энергия. Особенность тепловой энергий может быть сформулирована очень просто: любой вид энергии может быть легко превращен во все другие виды энергии, в том числе и в тепловую. Хорошо известный, можно сказать вездесущий, процесс трения есть не что иное, как превращение в тепловую энергию других видов энергии. Тепловая же энергия в другие виды энергии превращается с известными ограничениями и всегда не полностью.
Особенность тепловой энергии состоит в том, что она является энергией неупорядоченного, хаотического движения мельчайших частиц тела, в то время как все другие виды энергии — результат упорядоченного движения. Порядок всегда проще превратить в хаос, упорядочить же хаос гораздо труднее.
Изучением тепловых свойств веществ занимались и занимаются две различные по своим методам науки: термодинамика и статистическая физика.
Термодинамический метод изучения макроскопических свойств системы (макроскопические свойства системы можно непосредственно измерить, например давление, температуру, удельный объем, в отличие от микроскопических свойств, присущих микроэлементам системы — молекулам, атомам и др., прежде всего их координат и импульсов), строится на знании небольшого числа законов, начал, установленных опытным путем. Термодинамика конкретно строится на трех началах: первое начало — закон сохранения энергии, написанный в виде, удобном для определения механической работы, полученной из тепла, второе начало — закон, имеющий большое число различных формулировок, из которых, пожалуй, наибольшее употребление имеют две: 1) невозможен переход теплоты от тела менее нагретого к телу более нагретому без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р. Клаузиус) и 2) невозможно создать периодически действующую машину, не совершающую ничего иного, кроме поднятия груза и охлаждения резервуара тепла (М. Планк); третье начало (теорема В. Нернста): при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры, равной абсолютному нулю.
Достоинством и в то же время недостатком термодинамического метода является его независимость от принятого взгляда на строение вещества. С помощью термодинамического метода можно решать многие важные задачи, вовсе не касаясь вопросов строения вещества.
296
Цит. по: Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики, с. 39–40.