Возникновение и развитие термодинамики. Карно
Если в XVIII в. в физике (за исключением механики) господствовал эксперимент, так что физику определяли как науку «о всем том, что через опыты познать можно», то в XIX в. картина начинает меняться. Экспериментальная физика продолжает господствовать над теоретической, Но уже волновая оптика Юнга и Френеля, электростатика и магнитостатика в руках Гаусса и Грина развивались по образцу ньютоновской теории тяготения, и ее основные результаты и поныне входят в курсы теоретической физики. Труднее всего поддавались теоретической обработке тепловые явления. Здесь еще шло накопление эмпирических фактов, разрабатывались методы определения тепловых характеристик.
Теорию теплорода разделял и другой замечательный ученый, военный инженер Саади Никола Леонард Карно (1796-1832). В 1824 г. был издан его главный труд «Размышления о движущей силе огня». Сочинение Карно явилось началом термодинамики.
Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (1799— 1864), французский академик и инженер, был в 1820-1830 гг. профессором Петербургского института путей сообщения. В 1834 г. он дал общеупотребительную форму трактовки цикла Карно и объединенное уравнение газового состояния. Ему же принадлежит вывод зависимости точки плавления от давления (уравнение Клапейрона—Клаузиуса).
Работа Карно, изложенная Клапейроном и напечатанная в 1843 г. на немецком языке в «Анналах» Поггендорфа, послужила исходным пунктом для исследований В.Томсона и Р. Клаузиуса,
Открытие закона сохранения и превращения энергии.
XIX в. принес наглядные доказательства связи теплоты с механическим движением. Конечно, факт выделения тепла при трении был известен с незапамятных времен. Сторонники теплоты усматривали в этом явлении нечто аналогичное электризации тел трением — трение способствует выжиманию теплорода из тела. Однако в 1798 г. Бенжамен Томпсон (1753-1814), ставший с 1790 г. графом Румфордом, сделал в мюнхенских военных мастерских важное наблюдение: при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура поднялась на 70 градусов Фаренгейта (21,1С). Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой. В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Этот опыт Румфорд считал доказательством того, что теплота является формой движения.
Юлиус Роберт Майер родился 25 ноября 1814 г. в Гейльбронне в семье аптекаря. Он получил медицинское образование и отправился в качестве корабельного врача на о. Ява (до этого он несколько месяцев работал в клиниках Парижа). В течение годичного плавания (1840—1841) врач Майер пришел к своему великому открытию. – закона сохранения энергии
Создание лабораторий
Вторая половина XIX в. отмечается важными изменениями в организации подготовки физиков. В это время сначала в Европе, а затем в Америке создаются физические лаборатории. В некоторых из лабораторий зарождаются научные школы.
В прошлом физик работал в одиночку. Приборы обычно покупались на собственные деньги или изготовлялись самими учеными. Нередко лабораториями служили частные комнаты
В Германии до 40-х годов XIX столетия делалось существенное различие между учреждением для учебных целей и учреждением для научных исследований. Так, в протоколе Тайного Совета от 22 июля 1807 г. правительство разъясняет университету, что «изобретение в научной области является делом ученых, а не делом учителей, которые как таковые, подобно судье, должны принимать во внимание не составление законов, а выполнение данных законов».
Такое же положение было и в университетах России, где считалось, что главная задача преподавателя — читать лекции, а занятия наукой — вещь второстепенная и необязательная.
В американских колледжах и университетах обучение сводилось к чтению лекций и штудированию учебников, а «лекционные демонстрации скорее создавали внешний блестящий эффект и не служили своим истинным целям».
В середине XIX столетия происходит бурное развитие промышленности, машиностроения, химической промышленности, металлургии и горного дела, электротехники, теплотехники, строительство железных дорог, возникновение пароходства и воздухоплавания. Все это стимулировало развитие науки, новых форм ее организации. Все более усиливалась связь науки и техники.
К этому времени значительно усложнилась физическая теория и эксперимент. Новые задачи, стоящие перед физической наукой, требовали для своего решения все большего числа физиков.
Итак, в новых условиях необходимо было предусмотреть новые формы и темпы подготовки ученых. Старые образовательные учреждения были не в состоянии выполнить эту роль, перестройка их была необходима.
И с сороковых годов XIX столетия начинают создаваться физические лаборатории как новая форма организации коллективных методов исследования в физике.
Первая физическая лаборатория была создана в Гёттингенском университете (германия)В. Вебером, который был приглашен туда в 1831 г.
В Кембридже обучение экспериментальному искусству начало проводиться с 1874 г. в здании знаменитой Кавендишской лаборатории (британский физик и химик, член Лондонского королевского общества). Она была выстроена на частные средства и сыграла огромную роль в развитии физики. Достаточно сказать, что ее руководителями были в разное время Максвелл, Рэлей, Дж. Дж. Томсон, Резерфорд.
Первая лаборатория в России создается при Петербургском университете Ф. Ф. Петрушевским (1828-1904) в 1865 г.
Второе начало термодинамики
Прогресс теплотехники не только стимулировал открытие закона сохранения и превращения энергии, но и двинул вперед теоретическое изучение тепловых явлений. Уточнялись основные понятия, создавалась аксиоматика теории теплоты, разрабатывались математические методы. Ведущую роль в основании теории тепловых явлений сыграли Р. Клаузиус, В. Томсон и другие ученые.
Рудольф Клаузиус родился 2 января 1822 г. в г. Кёслине. По окончании университетского курса в Берлине он был преподавателем в Артиллерийской школе. С 1855 г. он стал профессором в Высшей политехнической школе в Цюрихе, а затем в Цюрихском университете. С 1869 г. он переехал в Бонн.
в 1850 г. он открыл второе начало, который Клаузиус формулирует следующим образом: «Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому» без компенсации».
Вильям Томсон родился 26 июня 1824 г. в Белфасте в семье преподавателя математики.
Второе начало Томсон формулирует так:
«Если какая-либо машина устроена таким образом, что при работе ее в противоположном направлении все механические и физические процессы в любой части ее движения превращаются в противоположные, то она производит ровно столько механической работы, сколько могла бы произвести за счет заданного количества тепла любая термодинамическая машина с теми же самыми температурными источниками тепла и холодильника».
Глава 2 Электродинамика После работ Ньютона прошло без малого двести лет, прежде чем была создана принципиально другая, нежели классическая механика, физическая теория – теория электромагнитного поля. Ее создание ознаменовало настоящую революцию в области физического знания. В начале XIX в. английский физик Майкл Фарадей (1791-1867) серией блестящих экспериментов показал, что взаимодействие между движущимися электрическими зарядами осуществляется посредством электромагнитного поля. В 60-х годах того же века результаты этих экспериментов в изящной математической форме представил соотечественник Фарадея Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879). Сформулировав в дифференциальном виде законы макроскопической электродинамики, Максвелл осуществил в области электродинамики то же самое, что Ньютон сделал в механике. 2.1 Электромагнитное поле Представление о физическом поле – одна из самых глубоких естественнонаучных идей нашего времени. Не претендуя на полноту изложения вопроса, ограничимся перечислением основных свойств электромагнитного поля и попробуем дать ему хоть какое-то определение. Можно утверждать следующее: электромагнитное поле представляет собой особую форму материи (материально), которая существует независимо от нас и наших знаний о ней (объективно). Фактически определением электромагнитного поля служат два его основных свойства:1. Электромагнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами.2. Электромагнитное поле обнаруживается по действию на электрические заряды (как движущиеся, так и неподвижные).Все попытки дать этому фундаментальному понятию более точное, краткое и вместе с тем удовлетворительное во всех отношениях определение обречены на неудачу. Причины тому – нерасчленимость электромагнитного поля на составные части (т.е. отсутствие у него внутреннего механизма работы) и невозможность непосредственного восприятия его нашими органами чувств [13]. Электромагнитное поле – физическое поле движущихся электрических зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними. Электрический заряд – свойство некоторых частиц (электронов, протонов, позитронов, некоторых видов мезонов), состоящее в том, что они всегда связаны с электрическим (электромагнитным) полем и испытывают определенные воздействия внешних электромагнитных полей. Одним из основных следствий уравнений Максвелла стало предсказание в 1865 г. существования электромагнитных волн, которые распространяются в вакууме со скоростью света c ≈3 × 108 м/c. Эти волны представляют собой изменяющиеся во времени вихревое электрическое и магнитное поля, которые порождают друг-друга и проталкивают сквозь пространство. Солнечный свет (видимый, инфракрасный, ультрафиолетовый). Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Генрихом Герцем (1857-1894) в 1888 г. стало первым и главным доказательством справедливости теории Максвелла [17].После написания общих уравнений электромагнитного поля Максвелл, выдвинул теорию: свет можно рассматривать как электромагнитное возмущение. Этой идеей Максвелл впервые установил тесную связь между оптикой и электричеством – двумя областями физики, до тех пор совершенно чуждыми друг другу. Зарождение и развитие представлений о световом эфире Задолго до создания электродинамики, в конце XVII в., основываясь на многочисленных аналогиях между световыми и звуковыми явлениями, голландский физик Христиан Гюйгенс (1629-1695) предложил новую теорию света. В противоположность Ньютону, который предполагал, что свет зависит от частиц особой световой материи, истекающей во все стороны от светящихся тел, Гюйгенс высказал мысль, что свет представляет собой особую форму колебательного движения материальных частиц, передающегося от одного тела к другому через особую упругую среду, заполняющую пространство, которое нам кажется абсолютно пустым, и которое соединяет друг с другом как отдаленнейшие небесные тела, так и соседние частицы этих тел. Эфир Гюйгенса отличался от обыкновенных упругих тел лишь своей невидимостью и невесомостью, а также и более тонким строением, позволявшим частицам эфира внедряться в промежутки между частицами весомой материи [18–20]. Теория Гюйгенса давала возможность весьма просто объяснить явления отражения и преломления света, но оставляла совершенно открытым вопрос о характере световых колебаний и о свойстве эфира как упругой среды вне и внутри тел. В первой четверти XIX в. этот вопрос старался прояснить известный французский ученый Жан Огюстен Френель (1788-1827). Прежде всего, Френелю удалось доказать, что световые колебания, в противоположность звуковым, имеют не продольный, а поперечный характер. (Картинка поперечные и продольные волны). Подобные упругие сдвиги могут, очевидно, происходить лишь в твердых телах, а потому эфир пришлось рассматривать не как газ, подобный воздуху, но как твердое тело (безграничных размеров). То обстоятельство, что световые колебания имеют чисто поперечный характер, свидетельствовало о том, что эфир не способен испытывать изменения объема, т.е. в отличие от обыкновенных твердых тел он является абсолютно несжимаемым. Позже Френель пришел к такому выводу на основании опыта, согласно которому две световые волны, распространяющиеся в одном направлении, никогда не интерферируют между собой.
Оптика
Учение о теплоте развивалось в XVIII в. в тесной связи с химией и оптикой. Огонь, как известно, дает тепло и свет, вызывает химические превращения.
Все это заставляло ученых искать взаимосвязи между тепловыми, химическими и световыми явлениями. Ломоносов был решительным противником теплорода, но он не мог отрицать тесной взаимосвязи между светом и химическим строением тела. Согласно воззрениям Ломоносова, свет представляет собой волновое движение эфира. Цвета же обусловлены существованием трех сортов частиц эфира, соответствующих трем химическим материям: соляной, серной и ртутной. Это — одна из попыток связать цвета тел с их химической структурой. Одновременно Ломоносов пытается физически интерпретировать цветность светового луча.
Вопрос о физической природе белого цвета и цветов занимал Ньютона и Гука, Ломоносова и Эйлера. Эйлер выдвинул своеобразную резонансную теорию цветов и также примкнул к волновой теории света, игнорируя, однако, принцип Гюйгенса. Принцип Гюйгенса в XVIII в. «не работал», вообще волновая теория света, несмотря на ее поддержку Ломоносовым и Эйлером, была оставлена. Всеобщее увлечение гипотетическими «флюидами», «невесомыми» отразилась и на оптике. Корпускулярная, «вещественная» теория света завоевала всеобщее признание.
Заметим, что именно в XVII в. проявляется большой интерес к световым измерениям и именно этим веком датируется фотометрия. Причины этого, с одной стороны, лежат в практических потребностях. Вопросы освещения, в частности уличного освещения больших городов, освещения дворцов, устройство фонарей, приобрели большое значение. Основателями фотометрии были француз Пьер Бугер (1698-1758 ), (издавший в 1729 г. «Опыт о градации света» и написавший «Оптический трактат о градации света», изданный посмертно в 1760 г.), и эльзасец И. Г. Ламберт (1728—1777), («фотометрия» которого была издана также в 1760 г.)
В «Оптическом трактате» Бугера введены такие фотометрические понятия, как «световой поток» (у Бугера — «количество света»), «сила света источника» (у Бугера—«абсолютная сила света»), «освещенность» (у Бугера—«сила света»), «яркость», которую Бугер называет то интенсивностью света, то яркостью света. Бугер сконструировал простой фотометр, разработал методы уравнивания создаваемых различными источниками освещенностей, выполнил обширную программу фотометрических измерений. В частности, он установил весьма важный закон поглощения света, согласно которому интенсивность светового потока убывает с толщиной поглощающего слоя по экспоненциальному закону.
Фотометрия была важнейшим достижением оптики XVIII в. Из других результатов следует отметить построение, вопреки мнению Ньютона, ахроматических объективов телескопов и труб и открытие аберрации света (Джемс Брадлей, 1728). Это последнее открытие дало новый метод определения скорости света и позже сыграло важную роль в развитии оптики движущихся сред.
Корпускулярно-волновая теория света. Законы отражения и преломления