Страница 32 из 57
Например, процесс радиоактивного распада происходит случайно. Побочные процессы происходят объективно случайно, а не потому, что мы не можем указать их причину из-за недостатка наших знаний. И наука при этом не перестала развиваться, а обогатилась новыми законами, принципами и концепциями, которые показывают ограниченность классического принципа — лапласовского детерминизма.
Абсолютно точное описание всего прошедшего и предсказание будущего для колоссального многообразия материальных объектов, явлений и процессов — задача сложная и лишенная объективной необходимости. Даже в самом простейшем случае классической механики из-за неустранимой неточности измерительных приборов точное предсказание состояния даже простого объекта — материальной точки — также нереально.
Начало крушению механистической картины мира положили работы в области электромагнетизма [16]. С тех пор механические представления о мире были существенно поколеблены. Любые попытки распространить механические принципы на электрические и магнитные а также оптические явления оказались несостоятельными. Поэтому естествознание вынуждено было в конце концов отказаться от признания особой, универсальной роли механики.
Механистическая картина мира начала сходить с исторической сцены, уступая место более глубокому пониманию физической реальности. Согласно современным представлениям, классическая механика имеет свою область применения: ее законы выполняются для относительно медленных движений тел, скорость которых много меньше скорости света. Глава 2 ОСНОВЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ Понятия тепла и температуры О том, что такое теплота, люди задумывались очень давно.
Такие понятия, как «огонь», «свет», «теплород» встречаются уже в древнейших сказаниях Востока, а позже в работах античных философов Древней Греции. Однако в те далекие времена были высказаны только общие предположения о природе огня, света и теплоты. Учение о тепловых явлениях начинает развиваться только с середины XVIII века. Толчком для этого развития является изобретение термометра.
Интересно отметить, что на протяжении долгого времени между понятиями тепла и температуры не проводилось различия. Temperature — в переводе с латинского означает смешивание в должном отношении. Это говорит о происхождении самого термина «температура». Дело в том, что не сразу было понято, что здоровые люди имеют практически одну и ту же температуру.
Степень нагретости относили к темпераменту человека. Ученым, который первым изобрел прибор для измерения нагретости тела, был Галилей. Конечно, этот прибор еще далек от совершенства, он даже не был проградуирован. Однако он все же позволял сравнивать температуры тел, находящихся в одном и том же месте и в одно и то же время. Впервые температуру человеческого тела начал измерять итальянский врач и анатом Санторио с помощью им же изобретенного термометра.
После Галилея многие ученые занимались изготовлением приборов для определения нагретости тел: итальянские мастера из Флоренции, Отто фон Генрике, Амон-тон, Гук, Фаренгейт, Цельсий, Реомюр, Делиль и другие. В 1655 году Гюйгенс предложил в качестве опорных точек термометра избрать точку кипения воды и точку таяния льда. Современная шкала Цельсия была предложена шведским ботаником Андерсом Цельсием в 1742 году.
Однако за 0 градусов он принимает точку кипения воды, а за 100 градусов — точку таяния льда, как и Делиль. Такая шкала не завоевала популярности и очень скоро была перевернута обратно. Сама по себе градуировка термометров доставляла не меньше хлопот, чем конструкция термометра. Это связано с вопросом о том, происходит ли расширение используемых в термометрах жидкостей (воды, спирта, ртути)
или газа пропорционально увеличению температуры во всех интервалах интересующих температур. Таким образом, задача усовершенствования термометров явилась толчком для изучения явления расширения тел при нагревании. Однако все эти исследования не разделяли понятия «теплота» и «температура». И температура тела, так же как и теплота, связывалась с представлением о теплороде.
В Словаре церковнославянского и русского языка, изданном в середине XIX в., можно прочитать: «Температура есть мера сгущения теплорода, показываемая в градусах термометром». «Теплород — вещественная причина жара, тепла и холода, непостижимо тонкая жидкость, изливающаяся из Солнца и проникающая во вес тела физического мира, невидимая, невесомая и только ощущением ощущаемая» [35].
Единица измерения теплоты, дожившая до наших дней, «калория», в переводе на русский язык означает не что иное, как «теплород». Однако так думали не все. В истории развития взглядов на природу теплоты ясно прослеживаются два направления: одно из них связано с представлением о теплороде, а второе связывает сущность тепловых явлений с движением атомов, из которых состоят тела.
Это так называемые теплородная и кинетическая теории теплоты. В отношении теплородной теории существовали две точки зрения. Первая точка зрения — традиционная, согласно которой теплород— «некая жидкость, крайне мелкие частицы которой наделены силой взаимного отталкивания. В этом случае большее или меньшее скопление этой жидкости в телах определяет их состояние» [36].
Вторая точка зрения рассматривала теплород как «жидкость, наделенную такими же физическими свойствами, но занимающую все пространство. Ее действие рассматривается, однако, как результат молекулярных вибраций. Наиболее нагретыми являются поэтому те тела, в которых колебания эти наиболее быстры» [37]. Вторая точка зрения являлась менее популярной, но в ней как бы делалась попытка синтеза кинетической теории с теорией теплорода.
Стройная кинетическая картина тепловых явлений в твердых жидких и газообразных телах была создана М. В. Ломоносовым. Он отрицал теплород как «тонкую материю» со «скрытыми качествами» (рис. 3). Решающий эксперимент, способствовавший утверждению кинетической теории теплоты, был произведен Румфордом; «он нанес смертельный удар субстанциональной теории теплоты» [10].
Следует отметить, что теплородная теория объясняла выделение теплоты при трении тел друг о друга тем, что при трении тела как бы выжимают из себя теплород, вследствие чего количества теплорода в них, то есть теплоемкость, должны изменяться. Румфорд привел результаты эксперимента, связанного со сверлением пушечного ствола. В течение 2,5 часов за счет трения было получено количество теплоты, достаточное для превращения в пар 12 килограммов воды при получении всего лишь 270 граммов металлической стружки.
Далее было обнаружено, что стружка имеет такую же удельную теплоемкость, как исходный металл отливки. Вследствие полученных результатов Румфорд сделал вывод о том, что теплота не могла быть получена за счет «выжимания» теплорода из металла. Этот эксперимент мог быть поставлен только благодаря развитию калориметрических исследований — исследований по изучению явлений теплообмена между двумя веществами (
однородными с различными температурами, разнородными с различными температурами, в разных фазах и т. д.) — при смешивании их в теплоизолированном сосуде-калориметре. Основная заслуга проведения подобных опытов принадлежит петербургскому академику Георгу Рихману — первому физику, воспитанному петербургской Академией наук [53]. В процессе его опытов было установлено, что при смешивании жидкостей устанавливается одинаковая для всей смеси температура. Рис. 3. Чертежи М.В.
Ломоносова, поясняющие кинетическую теорию теплоты. Отрицая теплород, М.В. Ломоносов считал, что среда, эфир, по которому распространяется тепло, построен атомистически, так, что в промежутках между более крупными шарообразными частицами располагаются более мелкие, а между ними — еще более мелкие. Дальнейшие испытания были направлены на выяснение вопроса, как распределяется теплота между различными телами.
Было установлено, что различные тела имеют различные удельные теплоемкости. Под удельной теплоемкостью вещества понимается количество теплоты (тогда еще теплорода), необходимой для увеличения температуры единицы массы вещества на один градус. В процессе калориметрических исследований было сделано важное заключение о том, что при исследовании тепловых явлений следует различать такие понятия, как температура и теплота.