Вчення про теплоту. Поведінка тіл при нагріванні

Маріо Льоцці

Теплове розширення

Експериментальні дослідження теплового розширення в XVIII столітті привели до характерної плутанини понять, що панувала майже до середини XIX століття. Говорили, наприклад, що "ртуть розширюється рівномірно ", забуваючи додати, по відношенню до якого еталону визначається це розширення. Тим часом як мірила неявно передбачалася та сама ртуть, оскільки за рівні інтервали температури приймалися інтервали, які давали рівні значення розширення ртуті. За цих умов твердження про те, що ртуть розширюється рівномірно, позбавлене сенсу, так само як немає сенсу і у твердженні, що видимий рух нерухомих зірок "рівномірно", якщо саме цей рух служить для визначення рівних інтервалів часу.

Вже на початку століття деякі досліди Деві показали необхідність прийняття еталонної шкали. Деві сконструював різні термометри - з ртуттю, зі спиртом, з чистою водою, із солоною водою. Кожен термометр він градуювати за Цельсієм звичайним способом зі звичайними двома постійними точками. Зіставивши показання цих термометрів, він виявив повне їх розбіжність. Так, коли ртутний термометр показував +50 ° С, спиртової показував 43 °, термометр з оливковою олією 49 °, з чистою водою 25,6 °, а з солоною водою 45,37 °.

Точне зіставлення свідчень ртутного і повітряного термометрів було вироблено в 1815 р. Дюлонга і Пти, які прийшли до висновку, що якщо розширення ртуті вважати рівномірним, то розширення повітря не буде рівномірним, і навпаки. Однак повне вираження ці ідеї отримали лише в знаменитому мемуари Вільяма Томсона (лорда Кельвіна), опублікованому в 1848 р., де вводиться термодинамічна температурна шкала, яка не залежить від застосовуваного термометричної речовини, чому вона і отримала назву "абсолютної шкали".

Дюлонга і Пти у згаданій роботі вважали, що два ртутних термометра дають завжди погоджені свідчення. Однак в 1808 р. Анджело Беллані (1776-1852) зміг показати хибність цього припущення, виходячи з досить незначного на перший погляд спостереження, яке виявилося тим не менше дуже великою, оскільки вказало причину багатьох помилок у проведених вимірах температури. Йдеться про зміщення нуля в ртутних термометрах, обумовленому зміною з часом ємності скляного кульки.

Вивчення розширення різних сортів скла, проведене Реньо в 1842 р., бере свій початок від іншого фундаментальної праці Дюлонга і Пти (1818 р.) за визначенням абсолютного теплового розширення ртуті за допомогою вельми дотепного методу двох температур і двох рівнів, до сих пір що описується в підручниках фізики. Відмітимо до речі, що у зв'язку з цим Дюлонга і Пти винайшли Катетометри - точний прилад для визначення різниці рівнів (в барометрах, капілярах і т.д.) між двома точками, не обов'язково знаходяться на одній вертикалі.

Знання абсолютного теплового розширення ртуті дозволило Дюлонга і Пти експериментально досліджувати теплове розширення інших рідин і твердих тіл за допомогою методів, описаних у курсах фізики. Дослідники прийшли до загального висновку, що по відношенню до теплового розширення ртуті теплове розширення інших тіл, твердих і рідких, виявляється нерівномірним, що змінюються з температурою і схильним великим аномалій поблизу точок плавлення. З цього випливає, що для кожного твердого або рідкого речовини потрібно визначати значення коефіцієнта теплового розширення теоретично для кожної температури, а практично - для різних інтервалів температур. Звідси випливає зазначена Фрідріхом Вільгельмом Бесселя (1784-1846) необхідність врахування температурної поправки при визначенні питомої ваги і складання таблиці поправок для барометричних відліків. Першою такою таблицею ми зобов'язані Карлу Людвігу Вінклер, складі її в 1820 р.

В області теплового розширення твердих тіл Ейльгард Мічерліх (1794-1863) в 1825 р. встановив, що всі кристали (за винятком кристалів кубічної системи) розширюються нерівномірно в різних напрямках і, отже, змінюють свою форму зі зміною температури. Це явище було підтверджено Френеля і грунтовно досліджено Фізо в численних роботах 1864-1869 рр.., де він застосовував дуже чутливий метод, заснований на зміну форми кілець Ньютона при зміні товщини шару повітря між двома поверхнями. Одна поверхню досліджуваного тіла робилася злегка опуклою і спиралася на плосковипуклую лінзу; за допомогою оптичної системи спостерігалися утворені відбитими променями кільця Ньютона при висвітленні монохроматичним світлом. При підігріві картина кілець змінювалася, і це дозволяло визначати зміна товщини повітряного прошарку. Цей метод придатний також для вивчення некристалічних тіл і має настільки високою точністю, що Міжнародний комітет мір і ваг прийняв його для визначення деформації металевого стрижня еталонного метра. За допомогою цього приладу Фізо встановив, що разом з водою деякі інші речовини (алмаз, смарагд та ін) також володіють максимумом густини і що йодисте срібло стискується при нагріванні в інтервалі від -10 ° до +70 ° С.

Ще Академія дослідів встановила, що вода має певним максимумом густини. Це явище заперечувалося Гуком, але приймалося деякими іншими вченими. У 1772 р. Делюков провів систематичне дослідження нерегулярності розширення води і знайшов, що вода має максимальну щільність при температурі 41 ° F і що при зміні температури від 41 до 32 ° F її розширення таке ж, як і при нагріванні від 41 до 50 ° F. Ці експерименти були повторені в 1804 р. Румфорда, в 1805 р. Томасом Хоупом (1766-1844), а потім відтворювалися протягом усього століття. У 1868 р. Франческо Россетті (1833-1881) встановив максимум щільності між 4,04 і 4,07 ° С, в 1892 р. Карл Шеєле (1866-1936) знайшов, що він лежить при 3,960 ° С, а Хаппіус через рік після цього встановив значення 3,98 ° С. Температура в 4 ° С, якої, відповідно до всіх підручниках фізики, відповідає максимум щільності води, являє собою округленої і тому кілька умовну величину.

Вплив температури на період коливань маятника, на який ще в 1670 р. вказав Пікар, було в 1726 скомпенсовано лондонським виробником хронометрів Джорджем Грехемом (1675-1751) за допомогою відомої системи стрижнів з різних металів, що розрізняються за коефіцієнтом теплового розширення. У 1765 р. Джон Гаррісон (1693-1776) ввів метод компенсації для кишенькових годинників, заснований на тому, що пара пластин з різних металів, накладених одна на одну і спаяних, при зміні температури вигинається.

З численних застосувань явищ і законів теплового розширення твердих і рідких тіл, що розглядаються в курсах фізики, ми згадали компенсатори маятників тому, що їх ідеєю керувався французький конструктор Абрам Луї Бреге (1747-1823) при створенні свого відомого швидкодіючого біметалічного термометра (1817 р.), який і зараз надає велику послугу фізики, особливо як реєструючий термометр (термограф).

Теплове розширення газоподібних речовин

Дослідження теплового розширення повітря, проведені Амонтоном, були продовжені багатьма іншими фізиками XVIII століття (Делягіром, Станкарі, Хоксбі, Соссюр, Делюков, Ламбертом, Монжа, Бертола, Вандермонда та ін), але їхні дані перебували в обтяжуючому невідповідність один з одним. Одні приходили до висновку, що повітря розширюється рівномірно, інші - що нерівномірно, і на все це накладалися плутанина уявлень, про яку ми говорили на початку попереднього параграфа. Між прихильниками перше твердження розбіжність також було дуже велике, як видно з основоположної роботи Вольти (1793 р.): значення величини розширення при нагріванні на один градус стоградусной шкали, що даються різними експериментаторами, лежали в діапазоні від 1/85 у Прістлі до 1/235 у Соссюра. Довге заголовок роботи Вольти вказує на важливий висновок, до якого прийшов автор: "Про рівномірному розширення повітря на кожному градус тепла, починаючи з температури танення льоду і аж до температури кипіння води, і про те, що часто обумовлює уявну нерівномірність розширення, приводячи до збільшення помилок вимірювання об'єму повітря ".

Вольта показав, що розбіжність між експериментальними даними, як припускав ще Станкарі, обумовлено тим, що попередні експериментатори працювали не з сухим повітрям, а з вологим та наявність парів води спотворювало хід явища. Вольта користувався повітряним термометром, причому йому прийшла в голову щаслива думка ізолювати об'єм повітря стовпчиком лляного або оливкової олії, попередньо добре, прокип'яченого. Після численних ретельних експериментів, що супроводжувалися паралельними контрольними дослідами з вологим повітрям, Вольта прийшов до наступного твердження: "При нагріванні на кожен градус термометра Реомюр об'єм повітря збільшується приблизно на 1/216 об'єму, займаного повітрям при нулі градусів; таким чином, повітря має однакову збільшення обсягу як на самому початку, поблизу температури танення льоду, так і при наближенні до точки кипіння води ".

Знайдене Вольта значення коефіцієнта розширення одно, таким чином, 1/270 = 0,0037037 на градус Цельсія.

Однак робота Вольти була опублікована в "Annali di chimica" - журналі, який мав досить обмеженого поширення, і тому була мало відома в наукових колах, та і сам Вольта не намагався її поширити, мабуть, тому, що в ті роки був поглинений своєю полемікою з Гальвані.

Гей-Люссака (1778-1850) явно не була відома ця робота Вольти, коли в 1802 р. у своїй стала потім класичній роботі він здійснив дослідження теплового розширення газів. З історичного введення до цієї статті випливає, що п'ятнадцятьма роками раніше дослідження цього питання було без якої б то не було публікації зроблені Жаком Шарлем (1746-1823). Шарль прославився свого часу тим, що першим підняв у повітря 1783 поблизу Парижа повітряна куля, наповнена воднем (новим газом, відкритим Кавендіш у 1776 р.), а не гарячим повітрям, який застосовували брати Монгольф'є у 1773 р.

Судячи з цієї роботи Гей-Люссака, Шарль знайшов, що кисень, азот, вуглекислий газ і повітря розширюються однаково в інтервалі температур між 0 і 100 ° С. Гей-Люссак доповнив і узагальнив роботу Шарля і дійшов такого фундаментального твердження: "Якщо повне збільшення обсягу поділити на кількість градусів, що викликали це збільшення, то є на 80, то ми отримаємо, приймаючи об'єм при нульовій температурі рівним одиниці, що збільшення обсягу на кожний градус становить 1/213, 33, або 1/266, 66 на кожен градус стоградусной шкали ".

По суті тут мова йде про дослідження, що відрізняються від згаданих раніше досліджень Вольти. Вольта показав, що повітря розширюється рівномірно (якщо користуватися ртутної шкалою), тоді як Люссак довів, що для всіх газів повне розширення в інтервалі температур від 0 до 100 ° С однаково, і, зважаючи, що це розширення відбувається рівномірно, розрахував коефіцієнт розширення для всіх газів. Пізніше Гей-Люссак зауважив, що припущення про рівномірності розширення необгрунтовано, і для його докази провів ще одну серію дослідів. Про ці дослідах і що застосовувалася для них апаратурі стало відомо лише після виходу в 1816 р. курсу фізики Біо. Зараз вони описані у всіх підручниках з фізики.

Міжнародний конгрес фізиків, скликаний в Комо у вересні 1927 р. за нагоди сторіччя з дня смерті Вольти, випустив звернення, яке закликає в розділі про розширення газів давати в підручниках фізики формулювання двох законів: закону Вольти про постійність коефіцієнта розширення повітря і закону Гей-Люссака про те, що коефіцієнт розширення всіх газів однаковий. Однак цю пропозицію, що мало на меті нагадати про заслузі Вольти в цьому питанні, виявилося, мабуть, не дуже життєвим.

Дане Гей-Люсаком значення коефіцієнта розширення 1/266, 66 = 0,00375 було підтверджено Біо, прийнято Лапласа і протягом 35 років розглядалося як одна з найбільш точно відомих фізичних констант. Але в 1837 р. Фрідріх Рудберг (1800-1839) зробив нове визначення цієї постійної і знайшов для неї менше значення. У зв'язку з цим Магнус, приписавши розбіжність відмінності застосованих експериментальних методів, повторив досліди Гей-Люссака і набув значення постійної, що збігається з даними Рудберга. Помилку Гей-Люссака він приписав тому, що той (на відміну від Вольти) застосовував для обмеження досліджуваної маси повітря ртуть, яка значно менеепрігодна для газоізоляціі ніж масло.

Але в тому ж, 1841 р., коли Магнус виробив свої вимірювання, з'явилася класична робота Реньо, яка дала для коефіцієнта розширення значення 0,0036706, що залишився майже незмінним до наших днів. Досить зіставити зі значенням коефіцієнта Реньо значення, знайдені Вольта і Гей-Люсаком, щоб помітити велику точність значення Вольти, незважаючи на скромні експериментальні засоби, якими він мав у своєму розпорядженні.

Відповідно до вже раніше отриманими Магнусом результатами Реньо встановив (1842 р.), що коефіцієнти розширення газів не в точності постійні. Ті гази, які легко скраплювати, мають більший коефіцієнт розширення, причому, як зауважив Деві, він навіть збільшується із зростанням щільності газу. У 1847 р., вводячи поправку в утвердження Дюлонга і Араго, які вважали закон Бойля точним, Реньо, на підставі проведених дослідів з тиском до 30 атм, показав, що при звичайних температурах всі гази (крім водню) стискаються сильніше, а водень стискається слабкіше, ніж того вимагає закон Бойля. Ці висновки, до яким прийшов також Л. Баччеллі в 1812 р., згодом були підтверджені і доповнені іншими фізиками (Шаппюі, Релея, Сачердоте та ін.)

Пари

Починаючи з 1789 Вольта, як це видно з його численних невиданих рукописів, понад п'ятнадцять років інтенсивно займався дослідженням поведінки пари, не опублікувавши, однак, жодної закінченої роботи. Про свої дослідження він повідомляв друзів (васала, Ландріані, Маскероні), говорив про них у своїх університетських лекціях, і часом ці лекції викликали академічні дискусії. Вольта належить досвід, і зараз повторюваний в курсах фізики, з чотирма барометричний трубками, у яких виробляється випаровування води, спирту і ефіру і спостерігається різний тиск в них. Він же встановив, що тиск пари при 0 ° С не дорівнює нулю, тобто що лід випаровується. Вольта вважав, що за даними вимірювань при різних температурах тиску пари в барометричної трубці, зануреного в ванну із змінною температурою, можна сформулювати три закони поведінки пари. Але дуже скоро виявилося, що перші два закони (при збільшенні температури в арифметичній прогресії тиск пари зростає в геометричній прогресії; тиск парів всіх рідин однаково при однаковій відстані від точки кипіння) невірні; третій закон було зазначено, що тиск пари однаково незалежно від того, який простір він займає - пусте або ж заповнене повітрям будь-якої щільності.

До цих же висновків прийшов незалежно Джон Дальтон (1766-1844) у своїй роботі, опублікованій в 1802 р. З згаданого вище третього закону, нині званого законом Дальтона, він, повторюючи раніше наведені міркування Вольти, прийшов до висновку, що ніяка теорія (в той час вони були дуже в моді) не може пояснити випаровування як хімічне явище, тобто як поєднання води з повітрям.

У 1816 р. Гей-Люссак розповсюдив закон Дальтона на випадок суміші парів. Однак у 1836 р. Магнус показав, що закон Дальтона вірний лише для парів незмішувані рідин (наприклад, вода і масло). Якщо ж рідини змішуються (наприклад, ефір і спирт), то для таких пар повний тиск суміші парів менше суми тисків компонент. Цей результат був потім підтверджений і розвинений Реньо.

Все більше поширення парової машини викликало особливий інтерес до досліджень тиску водяної пари при великих температурах. Вже у 1813 р. Йоганн Арцбергер (1778-1835) зробив досить грубі вимірювання для тисків до 8 атм. У 1829 р. Дюлонга і Араго за дорученням Паризької Академії наук приступили до систематичного вимірювання тиску водяної пари і досягли 24 атм. Їх дані, як і дані їх попередників, не були абсолютно точними, оскільки в досвіді недостатньо гарантувалася однаковість температури всієї маси газу, так що виміряний тиск чинився відповідним тиску в самій холодної області згідно зпро "принципом холодної стінки", приписуваному часто Уатту, але насправді сформульованим Фонтана (1730-1805) в 1779 р.

Перші ретельні вимірювання були виконані в 1844 році німецьким фізиком Ернестом Густавом Магнусом (1802-1870). Він застосовував ізольований трьома шарами повітря калориметр, в який вводилися U-подібні трубки з газом і повітряний термометр. Але найбільш фундаментальне дослідження, виконане новими методами і з великою майстерністю, було проведено Анрі Віктором Реньо (1810-1878) і описано в його знаменитій праці "Повідомлення про досліди, зроблених за розпорядженням міністра громадських робіт і за пропозицією Центральної комісії парових машин, з метою визначення основних законів і чисельних величин, які застосовуються при розрахунку парових машин ", Париж, 1847. У цьому великому працю Реньо ввів поправки в результати Дюлонга і Араго і знайшов значення тиску водяної пари при температурах від -32 до 100 ° С і від 110 до 232 ° С.

Тепловим вимірів, що становлять інтерес для практики, Реньо присвятив все життя. Застосовуючи нові методи, забезпечують раніше недосяжну точність, він повторював досліди попередніх вчених. Його варті захоплення, ретельність і мистецтво експериментатора дозволили отримати результати, які й зараз, через століття, відносяться до розряду найбільш надійних. Крім сказаного, слід нагадати про дослідження Реньо по тепловому розширенню твердих і рідких тіл, стисливості води, визначення питомих теплоємність тіл, вимірювання швидкості звуку в газах і термоелектрики. Існує думка, що Реньо не вистачало того творчого духу, який відкриває нові шляхи у фізиці, однак внесений ним внесок у техніку експерименту і прикладну фізику склав цілу епоху.

Зрідження газів

Досвідчений факт охолодження речовини при випаровуванні був відомий здавна і навіть практично використовувався (наприклад, застосування пористих судин для збереження свіжості води). Але перше наукове дослідження цього питання зробив Джан Франческо Чінья і описав у роботі 1760 "De frigore ex evaporationе" ( "Про холоді внаслідок випаровування ").

Чінья довів, що чим швидше відбувається випаровування, тим інтенсивніше охолодження, а Меран показав, що якщо дути на вологий кульку термометра, зниження температури виявиться більше, ніж при такому ж досвіді з сухим кулькою термометра. Антуан Боме (1728-1804) виявив, що при випаровуванні сірчаного ефіру охолодження відбувається сильніше, ніж при випаровуванні води. Грунтуючись на цих фактах, Тіберіо Кавалло створив у 1800 р. холодильну машину, а Волластоном побудував в 1810 р. свій відомий кріофор, що застосовується і в наш час. На основі цього приладу в 1820 р. було створено гигрометр Даніеля. Холодильна машина стала практично застосувати лише після 1859 р., тобто після того, як Фернан Карре (1824 - 1894) опублікував свій метод отримання льоду за допомогою випаровування ефіру, згодом заміненого аміаком. У 1871 р. Карл Лінде (1842-1934) описав створену ним холодильну машину, в якій охолодження досягається за рахунок розширення газу. У 1896 р. він скомбінував цю машину з протівоточним теплообмінником, описуються в курсах фізики, і це дозволило йому отримати рідкий водень. Досягнуті на той час фізиками експериментальний результати почали впроваджуватися в промисловість.

Проблема зрідження газів має вікову історію, що бере свій початок у другій половині XVIII століття. Почалося все з скраплення аміаку простим охолодженням, яке справив ван Марум, сірчаного ангідриду - Монжа і Клуе, хлору - Нортмор (1805 р.) та зрідження аміаку компресійним методом, запропонованим Баччеллі (1812 р.).

Визначальний внесок у рішення цієї проблеми одночасно і незалежно внесли Шарль Каньярі де Латур (1777-1859) і Майкл Фарадей (1791-1867).

У серії робіт, опублікованих в 1822 і 1823 гг., Каньярі де Латур описав досліди, проведені ним для визначення існування для рідини (як це відчувається інтуїтивно) деякого граничного розширення, далі якого незалежно від прикладеної тиску вся вона переходить в пароподібний стан. З цією метою де Латур поклав у котел, заповнений на одну третину спиртом, кам'яну кулю і почав поступово розігрівати казан. По шуму, виробленому кулею, повертаємося всередині котла, де Латур прийшов до висновку, що при певній температурі весь спирт випарувався. Досліди були повторені з невеликими трубками; з трубок віддалявся повітря, а потім вони заповнювалися на 2/5 досліджуваної рідиною (спирт, ефір, бензин) і нагрівалися в полум'ї. У міру збільшення температури рідина ставала все більш рухомий, а межа розділу рідини і пара все більше нечіткої, поки при певній температурі зовсім не зникала і вся рідина здавалася що перетворилася в пару. Поєднавши ці трубки з манометром зі стисненим повітрям, Каньярі де Латур зумів виміряти тиск, встановлюється, у трубці в момент, коли зникає межа розділу між рідиною і парою, і відповідну температуру. Всупереч існуючій поданням Каньярі де Латур не тільки не визначив у цих дослідах критичну температуру для води, йому не вдалося навіть повністю випарувати воду, тому що трубки завжди лопалися раніше, ніж досягався бажаний ефект.

Більш конкретний результат містили досліди Фарадея, проведені в 1823 р. з загнутими скляними трубками, більш довге плече, яких було запаяний. В цей плече Фарадей поміщав речовина, яке при нагріванні повинно було давати досліджуваний газ, потім закривав другий, короткий плече трубки і занурював трубку в охолодну суміш. Якщо, виконавши це, нагрівати речовина в довгому плечі трубки, то утворюється газ, тиск якого поступово збільшується, причому в багатьох випадках у короткій трубці у Фарадея відбувалося зрідження газу. Так, нагріваючи бікарбонат натрію, Фарадей отримав рідку вуглекислоту; у такий самий спосіб він одержував рідкий сірководень, хлористий водень, сірчаний ангідрид та ін

Досліди де Латура і Фарадея показали, що можна домогтися зрідження газу, піддаючи його високому тиску. У цьому напрямі почали працювати багато фізиків, зокрема Йоганн Наттерера (1821-1901). Однак деякі гази (водень, кисень, азот) сжіжіть таким шляхом не вдавалося. У 1850 р. Вертел піддав кисень тиску в 780 атм, але не зміг добитися зрідження. Це змусило Вертел приєднатися до думки Фарадея, який, впевнений, що рано чи пізно вдасться отримати твердий водень, вважав, що одного тиску недостатньо для зрідження деяких газів, прозваних тоді "перманентними" або "неприборканий".

У тому ж 1845 р., коли Фарадей висловив це міркування, Реньо, зауваживши, що при низькій температурі вуглекислий газ володіє аномальної Стисливість, а при наближенні до 100 ° С починає слідувати закону Бой-ля, висунув припущення, що для кожного газу існує якась область температур, де він підпорядковується закону Бойля. У 1860 р. цю ідею Реньо розвинув і модифікував Дмитро Іванович Менделєєв (1834-1907), згідно з яким для всіх рідин повинна існувати "абсолютна температура кипіння", вище за яку вона може існувати лише в газоподібному стані, яке б не був тиск.

Дослідження цього питання було відновлено в 1863 р. в новій формі Томасом Ендрюсом (1813-1885). У 1863 р. Ендрюс ввів в капілярну трубку вуглекислий газ, замкнувши обсяг газу стовпчиком ртуті. За допомогою гвинта він довільно встановлював тиск, під яким було газ, одночасно змінюючи поступово температуру. Досягнувши за допомогою одного лише збільшення тиску часткового зрідження газу і потім повільно нагріваючи трубку, Ендрюс спостерігав ті ж явища, які за 30 років до нього досліджував Каньярі де Латур. Коли температура вуглекислоти досягала 30,92 ° С, межа розділу між рідиною і газом зникала і ніяким тиском не можна було вже отримати назад рідку вуглекислоту. У своїй грунтовної роботи 1869 Ендрюс запропонував назвати температуру 30,92 ° С "критичною межею" для вуглекислоти. Таким же методом він визначив критичні точки для хлористого водню, аміаку, сірчаного ефіру, окису азоту. Термін "пар" він запропонував зберегти для газоподібних речовин, що знаходяться при температурі нижче критичної точки, а термін "газ" застосовувати до речовин, що знаходиться при температурі вище критичної точки. Підтвердженням цієї точки зору Ендрюса були згадані вже досліди Наттерера, проведені ним з 1844 по 1855 р., в яких перманентні гази піддавалися тиску до 2790 атм, так і не сжіжаясь, і численні аналогічні досліди, розпочаті в 1870 р. Емілем Амага (1841-1915), в яких досягалося тиск до 3000 атм.

Всі ці негативні результати дослідів підтверджували гіпотезу Ендрюса про те, що перманентні гази - це речовини, для яких критична температура нижче досягнутих в той момент значень, так що їх зрідження можна було б здійснити за допомогою попереднього глибокого охолодження, можливо з подальшим стиском. Ця гіпотеза була блискуче підтверджена в 1877 р. Луї Кальете (1832-1913) і Раулем піктов (1846-1929), яким незалежно один від одного вдалося після попереднього сильного охолодження домогтися скраплення кисню, водню, азоту, повітря. Роботи Кальете і піктов були продовжені іншими фізиками, але лише поява холодильної машини Лінде, про яку ми вже згадували, зробило методи зрідження практично доступними, дозволивши отримувати зріджені гази у великих кількостях і широко застосовувати їх при наукових дослідженнях і в промисловості.

Питома теплоємність газів

Методи визначення питомої теплоємності важко було застосувати до газоподібним речовин внаслідок малого питомої ваги газів і парів. Тому на початку XIX століття Паризька Академія наук оголосила конкурс на кращий метод вимірювання питомої теплоємності газу. Премія була присуджена Франсуа Деларош (? - 1813?) І Жаку Берар (1789-1869), що запропонував помістити в калориметр змійовик, за яким при відомій температурі проходив би газ при фіксованому тиску. Цей метод фактично не був новим, він був запропонований ще за 20 років до того Лавуазьє. Як би там не було, результати, отримані Деларош і Берар, наводилися в курсах фізики протягом півстоліття. Заслуга цих учених перш за все в тому, що було привернуто увагу до необхідності розрізняти питомі теплоємності при постійному тиску і при постійному обсязі. Остання величина дуже важко піддається виміру з-за малої величини теплоємності газу в порівнянні з теплоємністю містить його резервуара.

Але за кілька років до появи робіт Деларош і Берар почалося дослідження цікавого явища, зазначеного Еразмом Дарвіном (1731-1802) в 1788 р., а потім в 1802 р. Дальтон і що полягає в тому, що стиск повітря викликає його розігрів, а розширення приводить до охолодження. Початком дослідження цього явища зазвичай вважають досвід Гей-Люссака (1807 р.), повторений Джоулів в 1845 р. Гей-Люссак з'єднав трубкою два балона, подібно до того як це робив Геріке; один з балонів був наповнений повітрям, а другий порожній; з наповненого балона повітря могло вільно перетікати в порожній. У результаті було встановлено зниження температури першого балона і підвищення температури другого. Таке теплове поведінка повітря змушувало вважати, що питома теплоємність при постійному тиску повинна бути більше, ніж при постійному обсязі, який би теорії природи тепла ми не трималися. Дійсно, якщо, розширюючи, газ охолоджується, те, дозволяючи йому при нагріванні розширюватися, необхідно повідомити йому додаткове тепло, щоб компенсувати супутнє розширенню охолодження.

Виходячи з цих експериментальних фактів, Лаплас у 1816 р. прийшов до геніальної ідеї про те, що відоме невідповідність між значенням швидкості звуку, що отримується з досвіду, і його теоретичним значенням, що виходять із закону Ньютона, можна пояснити зміною температури, яке відчувають шари повітря при чергуються стиснення і розрідження. На основі цих теоретичних передумов Лаплас виправив формулу Ньютона, ввівши в неї коефіцієнт, що дорівнює відношенню питомі теплоємності при постійному тиску і при постійному обсязі для повітря. Зіставлення експериментального значення швидкості звуку в повітрі і теоретичного значення, що виходить за формулою Ньютона, дозволило знайти відношення питомих теплоємність. Таким непрямим шляхом фізикам вдалося отримати перші дані про значення цього відношення і тим самим, оскільки значення питомої теплоємності при постійному тиску було відомо, оцінити питому теплоємність повітря при постійному обсязі. Декількома роками пізніше (1819 р.) Нікола Клеманом (1779-1841) і Шарлю Дезорму (1777 -?) вдалося в дослідах з розширення газів, багаторазово повторюються іншими вченими аж до наших днів і що увійшли до всіх підручників з фізики, безпосередньо визначити ставлення теплоємність, яке в межах експериментальних помилок співпало зі знайденим Лапласа.

У 1829 р. в результаті тонких і копітких досліджень Дюлонга визначив відношення теплоємності для різних газів, для чого викликав звук в трубці за допомогою потоків різних газів. Ці експерименти змусили його прийти до висновку, що в газах і парах при рівних умовах (об'єм, тиск, температура) утворюється при однаковому відносному стиску або розширенні однакове кількість теплоти.

Тут зазначимо, що метод Дюлонга був істотно поліпшений у 1866 р. Кундт (1839-1894), який ввів спеціальну трубку (ця трубка називається тепер трубкою Кундта). Метод Кундта до цих пір вважається одним з кращих методів визначення відносини питомих теплоємність.

Укладач к.т.н. Савельєва Ф.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.portal-slovo.ru/