Термоскоп своими руками

Жылудың теориясының пайда болуы

Огромный класс физических явлений, которые мы наблюдаем постоянно в повседневной жизни, связан с теплотой. Сейчас мы считаем, что при нагревании тела происходит увеличение его внутренней энергии, при охлаждении – ее уменьшение. При контакте тел с разной температурой происходит теплообмен, в процессе которого более нагретое тело передает часть свой внутренней энергии менее нагретому телу. Но для того, чтобы сформулировалить сами понятия температуры и энергии потребовалось более двух столетий, вплоть до опытов Джоуля, исследовавшего взаимопревращение различных видов энергии, и открытия Броуном движения пыльцы в капле воды. Сначала же, для того чтобы исследовать теплоту, нужно было придумать прибор для ее измерения – термометр.

Уже в XVII веке термометры были широко распространены, Галилей поводил измерения температуры. Производились они термоскопом – прибором, в котором столбик воды в тонкой и длинной (около 50 см) запаянной трубке поднимался или опускался в зависимости от температуры так же, как и в современном термометре, а позже температуру измеряли прямыми аналогами нашего термометра. Как видно из рисунка, термоскопы измеряли давление и температуру одновременно, так что использовать их в качестве измерительного прибора было сложно, а вот уже термометры можно было градуировать, и Габриель Фаренгейт (1686–1736) ввел температурную шкалу, применяющуюся в наше время. Чуть позже, в 1730 г., появилась шкала Рене Реомюра (1683–1757). А шкала, предложенная в 1694 г. Карло Ренальдини, использующая как опорные точки температуры кипения и замерзания воды, утвердилась после предложения Цельсия (1701–1744) разбить отрезок между этими точками на 100 градусов.

Интервал температур, которые могли быть получены к середине XVIII века, был достаточно значителен – от точки замерзания ртути (–40 °C) до точки возгонки алмаза(около 4500 °C). Низкие температуры получались с помощью охлаждающих смесей, а высокие – интенсивным поддувом кислорода или фокусировкой солнечных лучей.

О том же, что именно измеряется термометром, мнения были самые противоречивые. Не смотря на то, что нагревание тел при трении наблюдал еще Бойль, большую популярность имела теория теплорода – невесомая жидкость, избыток которой приводит к нагреванию тел, недостаток – к охлаждению. (Вспомните, какие еще невесомые жидкости с похожими свойствами «изобретались» для объяснения явлений, природа которых была еще невыяснена.) В противовес теплороду выдвигались теории, связывавшие тепло с движением молекул.

Даниил Бернулли в «Гидродинамике» (1738 г.) представлял воздух как совокупность мельчайших частиц, а температуру и давление газа на стенки – как результат движения частиц и их столкновений со стенками.

Михаил Ломоносов в 1744 г. представил в Академическое собрание свою работу «Размышления о причине теплоты и холода». Она была опубликована только через шесть лет,в 1750 г., вместе с другой, более поздней, работой «Опыт теории упругости воздуха». В отличие от Бернулли, Ломоносов пытался объяснить еще и колебательные свойства воздуха, поэтому он ввел предположение о вращательном движении частиц. В этой же работе предполагалось существование абсолютного нуля температур – состояния, в котором молекулы любого тела неподвижны.

В опубликованной в 1750 г. работе «Размышления о количестве теплоты, которое должно получаться при смешении жидкостей, имеющих определенные градусы теплоты» Рихман решил задачу о температуре, которая установится в смеси двух жидкостей, взятых при разных температурах.

В 1777 г.Лавуазье и Лаплас, построив ледяной калориметр, определили удельные теплоемкости различных тел. Казалось бы, все основные положения газово-кинетическойтеории к концу XVIII века уже были созданы, все качественные эксперименты поведены, но были некоторые эксперименты, не позволяющие ни теории теплорода, ни кинетической теории окончательно утвердиться.

Эксперименты Джозефа Блэка (1728—1799)

В 1762 г. Джозеф Блэк обнаружил, что для плавления льда нужна теплота. Т. е., если нагревать смесь воды и льда, температура смеси некоторое время (пока не растает лед) изменяться не будет, несмотря на то, что тепло подводится. Почему это происходит и куда девается теплота, было не понятно. Теплоту, нужную для плавления льда, назвали «скрытой», и этот термин – «скрытая теплота плавления» – можно и сегодня встретить в литературе. Так же ведет себя жидкость при кипении – до тех пор, пока не закончится процесс испарения, температура подниматься не будет. Ни теплород, ни кинетическая теория того времени объяснить опыты Блэка не могли.

Заметим, что постоянство температуры смеси лед–вода к этому времени уже использовалось в термометрах – ведь для калибровки точек отсчета (0 °C и 100 °C) нужно, чтобы смесь хорошо держала температуру.

Эксперименты Бенджамина Румфорда (1753–1814) и Гемфри Дэфи (1778–1829)

Конечно, нагревание тел трением было известно любому человеку, писал об экспериментах такого рода Бойль. Английский физик Бенджамин Румфорд в 1798 г. был ярым противником теории теплорода, он считал теплоту суммой «вибраций тел», настолько высокочастотных, что их невозможно ничем измерить. Тогда вибрации можно вызвать трением двух предметов. Румфорд занимался сверлением пушечных стволов в мастерской и заметил, что температура сверла и пушечного ствола сильно повышается. Поместив пушечный ствол в воду, можно было ее вскипятить.

Объяснить это явление, используя теорию теплорода, было невозможно, поскольку не было тела с более высокой температурой, которое могло бы передать теплород сверлу. Но оппоненты предположили, что теплород выделяется из металла при образовании металлических стружек. Тогда Румфорд использовал тупое сверло, при котором образуется меньше стружек, следовательно, должно выделится меньше теплорода. Однако наблюдался противоположный эффект – температура еще больше повышалась. Из опытов Румфорд сделал заключение, что теплота может создаваться без ограничений, что теплота – это свойство самого вещества.

Следующий опыт Румфорд провел, поместив в вакуум два тела – нагретое и холодное. Из его теории следовало, что в вакууме, без контакта тел, передачи тепла не будет. К сожалению экспериментатора, холодное тело нагревалось, а теплое – охлаждалось. Объяснить этот опыт без привлечения теплорода казалось невозможным.

Еще один эксперимент Румфорда был бы решающим, если был доведен до конца. В стакан наливался концентрированный раствор соли, сверху аккуратно доливалась чистая вода. Существование границы соляной раствор–вода доказывалось тем, что на ней могла лежать капля гвоздичного масла – ее плотность больше плотности воды, но меньше плотности соляного раствора. Постепенно раствор соли проникал в воду – это было бы невозможно без движения молекул, ведь соль тяжелее воды. Если бы у этого эксперимента было продолжение – зависимость скорости диффузии от температуры, понятие температуры в значительной степени прояснилось бы.

Ученик Румфорда, английский ученый Гемфри Дэфи, продолжил его опыты, нагревая трением кусочки льда. Два куска льда он поместил их в сосуд, из которого был откачан воздух, и с помощью часового механизма растопил их.

Опыты Вильяма Гершеля (1738–1822)

В 1800 г. английский астроном Вильям Гершель опубликовал работу «Опыты по преломляемости невидимых солнечных лучей». Он разместил термометры в темном помещении за пределами спектра – и с красной стороны спектра, и с синей. Термометры с синей стороны не нагревались, а с красной стороны спектра шел интенсивный нагрев. Невидимые лучи, переносящие тепло, были названы «инфракрасными». Таким образом, стало понятным, как передается тепло через вакуум.