Глоссарий. Дріс таырыбы Физика тарихы курсына кіріспе
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
Дәріс Дәріс тақырыбы: ХІХ ғасырдағы Оптика және Электродинамиканың дамуы Дәріс жоспары: 1. ХІХ ғасырдың бірінші жартысындағы толқынды оптиканың дамуы. 2. XIX ғ. электрмагнетизм және электродинамика "Электр ғылымының атасы" ағылшын ғалымы Уильям Гилберт болып саналады. 1600 жылы Лондонда жарық көрген "магнит, магниттік денелер және үлкен магнит — Жер туралы; Көптеген аргументтер мен тәжірибелермен дәлелденген жаңа физиология" трактатында Гилберт электрлік және магниттік құбылыстарды зерттеу үшін 600-ден астам тәжірибені сипаттады. Гильберт алғашқы электрлік құрылғыны - "версорды" жасады. Бұл откір ұшқа бекітілген стрелка болатын, ол электроскоптың прототипі. Алғашқы электр машинасын 1660 жылы неміс әуесқой физигі бургомастері Магдебург Отто фон Герике жасаған. Бұл көлденең темір осіне бекітілген балқытылған күкірт шары болатын. Допты айналдырып, алақандарымен ысқылап, Герике оны электрлендірді. Осы құрылғының көмегімен ол электр құбылыстарын зерттеді. Ағылшын физигі Стефен Грей (1666-1736) 1729 жылы "электр берілуін"зерттей отырып, электр өткізгіштік құбылысын ашты. Ол электр энергиясын бір денеден екіншісіне металл сым немесе иірілген жіп арқылы беруге болатындығын, бірақ жібек жіп арқылы берілмейтінін көрсетті. Алдымен Грей барлық денелерді электр өткізгіштер мен электр өткізгіштерге бөлді. Өз тәжірибелерінің нәтижелерін талдай отырып, 1733 жылы француз физигі Шарль Дюфе (1698-1739). "бір-бірінен өзгеше электрленудің екі түрі бар, атап айтқанда әйнек пен шайыр, олардың біреуі екіншісінен тебілген денелерді тартады" деген қорытындыға келді. Электрленуді өлшеу үшін ол Гильберттің электросопын жетілдірді және электрометрдің бір түрін жасады. 1735 жылы Дюфе найзағай мен найзағайдың электрлік табиғаты туралы идеяны алғаш рет білдірді. XVIII ғасырда. тәжірибелі фактілердің біртіндеп жинақталуы орын алып, жаңа ұғымдар мен терминдер пайда бола бастады. 1742 жылы ағылшын физигі Жан Дезагюль (1683-1744) "өткізгіш" және "изолятор"терминдерін енгізді. Электр құбылыстары туралы идеялардың дамуына 1745 жылы электролік құбылыстардың дамуына ықпал еткен әйгілі Лейден Банкісінің орнына конденсатордың ойлап табылуы ықпал етті. Оны голландиялық физик Лейден университетінің профессоры Питер ван Мушенбрук (1692-1761) ойлап тапқан. Алғашқы жалпақ конденсаторды 1746-1754 жылдары американдық мемлекет және саясаткер және физик Бенджамин Франклин (1706-1790) құрды. Ол "конденсатор", "батарея" деген терминдерді енгізді. Франклин конденсаторы шыны қабатпен бөлінген екі металл пластинадан тұрды. Дәл сол кезеңде итальяндық физик Джованни Беккариа (1716-1781) электр кедергісі ұғымын алғаш рет енгізді және өткізгіштердегі электр заряды оның бетіне таралғанын көрсетті. 1778 ж. көрнекті итальяндық физик Алессандро Вольта (1745-1827) "Электр кернеуі" және "электроемкость"терминдерін енгізді. Электродинамиканың пайда болу тарихы және оның Максвеллге дейін дамуы Электростатикадағы ашылған жаңалықтар оның әрі қарай дамуны жол ашты. Бұл облыста жаңа фактілер, электроскоптар пайда болды, приборлар мен аппараттар жандандырыла бастады. Луиджи Гальвани – италия дәрігері, анатомы, физиологі және физигі, экспериментік электрофизиология мен электрофизиологияның негізін қалаушысы 1737 жылы 9 қыркүйекте дүниеге келген. Алғаш болып бұлшықет түзілісіндегі электрика құбылыстарын зерттеді. Василий Владимирович Петров – орыс физигі әрі электротехнигі, Петербург ғылым академиясының академигі 1761 жылы 8 маусымда дүниеге келген. Мұғалімдер гимназиясында оқыды. 1788-1791 жылдар аралығында Барнаулдағы тау-кен учелищесінде сабақ берді. 1793—1833 ж. Петербургтегі Медицина-хирургия академиясында қызмет істеді. 1802 ж. көптеген (2100) мыс-мырыш элементтерден құралған гальваникалық батарея (вольт бағанасы) жасап, ол арқылы электрлік доға (Петров доғасы) құбылысын ашты. Бұл құбылысты жарықтандыру, электрлік балқыту, металдарды электрлік пісіру т. б. мақсаттарға пайдалану мүмкіншілігін айтты. Петров электр тогының өткізгіштің көлденең қимасына тәуелділігін ашты және өткізгіштерді параллель қосу тәсілін тапты. Электр тоғының химиялық әсерлерін және әр түрлі заттардың электр өткізгіштік қасиетін зерттеді, өткізгіштерді сургуч пен балауыз арқылы оқшаулауды (изоляциялауды) ұсынды. Вакуумдағы әлектр разряды мен люминесценция құбылысын зерттеуге де айтарлықтай үлес қосты. Әр түрлі газды орталарда байқалатын электрлік құбылыстарды зерттеуге арналған приборлар жасады. Электрмагнетизм Элетрмагнетизмді Копенгагенде дат физигі, профессор Эрстед ашқан. Ханс Кристиан Эрстед 1777 жылы 14 тамызда дүниге келген. Копенгаген университетінде оқыған. 1797 ж. фармацевт дипломын алды, ал 1799 ж. философия ғылымының докторы болды. 1806 жылдан осы университеттің профессоры атағына ие болды, 1815 жылдан өмірінің ақырына дейін Дат корольдік қоғамының хатшысы, 1829 жылдан Копенгагендегі политехникалық мектебінің директоры болды. Эрстед химия мен физика саласынан аса маңызды зерттеулер жүргізді. Ол өзі құрастырған пьезометрді пайдалана отырып, сұйықтардың сығылғыштығын зерттеді, хлорлы және металл алюминий алу тәсілін жасады. 1820 жылы электр тогының магнит стрелкасына әсер ететіндігін байқады. Эрстедтің бұл ашқан жаңалығы физиканың жаңа бөлімі – электрмагнетизмді жүйелі түрде зерттеудің негізі болды. Эрстед – бірқатар елдегі ғылыми мекемелер мен қоғамдардың мүшесі, оның ішінде 1830 жылы Санкт-Петербург ғылым академиясының да құрметті мүшесі болып сайланды. Электрмагнетизмнің дамуына өзінің үлесін қосқан және физиканың бұл саласын «электродинамика» деп атаған француз физигі Ампер болып танылады. Андре Мари Ампер 1775 жылы 22 қаңтарда Лион қаласында дүниеге келген. Оның әкесi Жан Жак Ампер өте бiлiмдi адам болған. Ешқашан мектепке бармағанына қарамастан, әкесiнiң жинаған кiтапханасын түгел оқып тауысып, үйде терең бiлiм алған. Лион академиясында математикадан алғаш рет 13 жасында баяндама жасаған. 18 жасында грек, латын, итальян тiлдерiн меңгерген, физика, жоғары математика, ботаника және әдебиет салаларында терең бiлiмдi болған. Ұлы француз революциясынан кейiн Ампер алғашында Лион қаласында, кейiннен Буржеде математика және физика пәндерiнiң мұғалiмi болып iстеген. Кейiнiрек Парижге қоныс аударып, политехникалық мектепке қызметке тұрған, ал 1808 жылы Париж университеттерiнiң бас инспекторы болып тағайындалған. 1814 жылы өз бетiнше Авогадро заңын ашқан. Өзiнiң барлық бос уақытын химия, дифференциалдық теңдеулер және ықтималдық теорияларына арнаған.Андре Мари Ампер – электромагнетизм саласында бiрнеше жаңалық ашқан француз ғалымы. Оның әкесi ауқатты адам болғандықтан, баласына жан-жақты бiлiм алуға жағдай жасайтындай мүмкiндiгi болды. 1802 жылы оны Бурго қаласындағы Орталық мектепке физика және химиядан профессорлыққа шақырды. Бұнда ол өзiнiң алғашқы «Математикалық теория ойыны» атты iрi еңбегiн жазып, жарыққа шығарды. 1809 жылы Ампер Политехникалық мектепте математика профессоры болды. Ампер өзiнiң дифференциалдық теңдеулер бойынша жеке туындылар еңбегi үшiн 1814 жылы Ұлттық ғылым академиясына сайланды. Физика саласында Ампер жарық дифракциясымен шұғылданып, бұл тақырыпта бiрнеше еңбектерiн жарыққа шығарды. 1820 жылы қыркүйектiң аяғында ол екi параллель ток өткiзгiшi арасындағы тартылу күшi бар екендiгiн паш еттi. Бұл еңбектерiн жалғастыра отырып, катушка (тогымен) тұрақты магниттiк әсер туғызатынын тапты (кейiннен бұл саланы жалғастырып, Майкл Фарадей электромагниттiк индукция құбылысын ашты). Ампер iлiнген инеден тұратын құрылғыны ойлап тапты, ол ине катушка арқылы берiлген токтың әсерiнен ауытқиды, ток күшi көп болған сайын ауытқуда жоғары болады. Бұл құрылғы жетiлдiрiлiп, гальванометр - атты өлшеуiш құрылғы пайда болды. Ампердiң электр және магнетизм саласы бойынша өте маңызды мақалаласы 1827 жылы жарық көрген «Электродинамика құбылыстарының математикалық теориясы туралы мемуар» – болып табылады. Былайша айтқанда, онда өткiзгiштегi ток күшi мен магниттiк индукцияны байланыстыратын Ампер заңының формуласы жазылған. Ампер бұл iргелi еңбегiнде келтiрiлген идеяларымен ол электромагнетизм сияқты ғылымның кең саласына есiк ашты. Ампер 1826 жылдан Сорбонна университетiнiң физика кафедрасының меңгерушiсi болып бекiтiлдi, бұл қызметте өмiрiнiң аяғына дейiн iстедi. Ол 1827 жылы ағылшын Корольдiгiнiң мүшесi болып сайланды. Мұндай құрмет шетел ғалымдарына өте сирек берiлетiн. Оның беделi европа физиктерiнiң арасында зор болатын. Ампер әрi керемет экспериментатор да, теоретик те болатын. Ампер есiмi өшпестей болып Айдағы таулардың бiрiне берiлген және ток күшiнiң өлшем бiрлiгi аталады. 1820 жылы жарияланған Эрстедтiң тәжiрибесi оны таң қалдырды. Ампер дат ғалымы жасаған тәжiрибенiң мәнiсi орасан зор екенiн түсiнiп, электр тогы мен магнетизм арасындағы байланысты зерттей бастады. Ампер Эрстедтiң тәжiрибесiн ток кеңiстiкте магнит өрiсiн тудырады деген болжаммен түсiндiрдi. Магнит өрiсiнiң бағыты өткiзгiштегi ток бағытымен қалай байланысқанын анықтады және магнит өрiсiнiң кернеулiгiн токпен байланыстыратын формуланы тапты. Сонымен қатар тогы бар екi өткiзгiш арасындағы әсерлесу күшiнiң формуласын қорытып шығарды (Ампер заңы). Магнетизмнiң молекулалық токтар жөнiндегi болжамға негiзделген алғашқы теориясын құрды. Ток күшiнiң анықтамасын ұсынды. Ғалымның дүниежүзiлiк ғылымға қосқан үлкен еңбегi үшiн ток күшiнiң өлшем бiрлiгiн ампер (А) деп атады. Майкл Фарадей 1791 жылы 22 қыркүйекте Лондон маңында шебердiң отбасында дүниеге келген. Дэвидiң қамқорлығының арқасында Корольдiк ассоциациясына ассистент қызметіне алынды. 1821 жылы ол магниттiң токтағы өткiзгiш бойымен айналатынын және токтағы өткiзгiштiң магнит бойымен айналатынын бақылап, электр қозғағыштың алғашқы моделiн жасады. 1831жылы барлық тұрақты және айнымалы ток генераторларының жұмысы негiзделген – электромагниттiк индукцияны ашты. 1824 жылы Фарадей Корольдiк қоғамының мүшесi болып сайланды, ал 1825 жылы Корольдiк ассоциация зертханасының (лабораториясының) директоры болды. 1833 жылдан Корольдiк институттың химиядан Фуллерлiк профессоры болып 1862 жылға дейiн iстедi. Фарадейдiң жарияланған лекциялары кең таралды. Үлкен тәжiрибелiк деректерге сүйенiп, Фарадей ол кезде белгiлi электр “түрлерi", “жануардың", “магниттiк", термоэлектрлiк, гальваникалық электрлiк және басқалардың өрнектелетiнiн дәлелдедi. Электр тогының тұздардың, қышқылдардың және басқаларының қоспаларынан өтуi оны электр тогының табиғатын ашуға итермеледi. Зерттеу нәтижесiнде 1833 жылы электролиз (Фарадей) заңын ашты. 1845 жылы Фарадей жарықтың поляризация жазықтығының магнит өрiсiнде айналу құбылысын (Фарадей эффектiсiн) байқады. Сол жылы диамагнетизмдi ашты, ал 1845 жылы – парамагнетизмдi ашты. Ол бірнеше ұғымдарды енгізді, 1833 жылы вольтметрдi ойлап тапты. 1830 жылдары өрiс ұғымын ұсынды, 1845 жылы алғаш рет “электромагниттiк өрiс" терминiн пайдаланды, ал 1852 жылы өрiс концепциясының формуласын жазды. Фарадей электр және магнетизмнен негiзгi еңбектерiн Корольдiк қоғамға – Электрден тәжiрибелiк зерттеулер (Experimental Researches in Electricity) – атты баяндамалар сериясы ретiнде тапсырып отырды. Фарадей 1867 жылы 25 тамызда Хэмптон-Кортта қайтыс болды. №15 Дәріс Дәріс тақырыбы: Термодинамикалық жетістіктер Термодинамиканың пайда болуы Дәріс жоспары:. 1. Термодинамиканың пайда болуы және дамуы. Карно. 2. Зертханалар құру. 1. Термодинамиканың пайда болуы және дамуы. Карно. Фундаментальный закон природы об энергетической эквивалентности и взаимной превращаемости всех видов движений и взаимодействий лег в основу новой теории, которую Рудольф Клаузиус называл «механической теорией тепла», а Уильям Томсон (лорд Кельвин) - «термодинамикой». В этой теории гипотеза о теплороде оказалась совершенно ненужной. Этот термин, состоящий из слов «термо» и «динамика» не следует понимать как учение о движении теплоты. Термодинамика – это наука о законах теплового движения (термо) и его превращениях (динамика) в другие виды движения. Согласно идеям Карно, возникновение движущей силы тепловой машины связано не с действительной тратой теплорода, а лишь с его переходом от более горячего тела к более холодному. С другой стороны, доказательство Джоулем эквивалентности работы и теплоты приводило к выводу, что для совершения работы необходима затрата определенного количества теплоты. Возникшее противоречие попытался разрешить лорд Кельвин. Обсуждая опыты Джоуля и имея в виду идеи Карно, лорд Кельвин писал: «Эти опыты, кажется, опровергают распространенное мнение о том, что теплота может быть получена только от источника, содержащего ее ранее в заметном и скрытом состоянии». Таким образом, он пришел к пониманию того, что возникло противоречие, которое требовало коренного пересмотра сложившихся в то время представлений о теплоте. В 1851 г. лорд Кельвин опубликовал работу «О динамической теории тепла», в которой он сформулировал результат своих исследований: «Невозможно получить механическое действие от какой-либо массы вещества исключительно за счет охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих тел». Иначе можно было бы полученную при этом работу превратить (например, трением) в тепло и таким образом передать тепло от более холодного тела к более теплому. Несколько ранее Рудольф Клаузиус в работе «О движущей силе тепла» пришел к выводу: «Теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему». Эту особенность теплоты отмечал еще Блэк в конце XVIII в., но тогда на это никто не обратил внимания. Термин «самопроизвольно»означает, что никаким способом (с помощью теплопроводности, вязкости, излучения и пр.) никогда теплота не может накапливаться в более теплом теле, за счет более холодного. Позднее Клаузиус уточнил свою формулировку: «Переход тепла от более холодного к более теплому телу не может совершаться без компенсации». Указанные выше формулировки лорда Кельвина и Клаузиуса представляют собой второе начало термодинамики, из которого следует невозможность вечного двигателя второго рода,т.е. периодически работающей машины, которая производила бы работу только за счет охлаждения теплового резервуара.Эквивалентность тепловой меры энергии (калория) механической (килограммометр) рассматривалась в то время как доказательство механической природы теплоты. На этом основании Клаузиус и развивал свою теорию теплоты. В упоминавшейся уже работе «О движущей силе тепла» Клаузиус ввел функцию, которую он назвал «эргалом». Теперь ее называют внутренней энергией. В 1865 г. Клаузиус ввел чрезвычайно важное понятие энтропии, означающее «способность к превращениям» (поворот, превращение). Он разъяснял, что энтропия – «это величина, представляющая собой сумму всех превращений, которые должны были иметь место, дабы привести любое тело или систему тел в их нынешнее состояние». Важная особенность энтропии заключается в том, что в замкнутой системе она остается постоянной для обратимых процессов, и может только возрастать в случае необратимых процессов.В 1848 г. лорд Кельвин ввел абсолютную шкалу температурЭту абсолютную шкалу температур назвали шкалой Кельвина. Развивая и уточняя идеи Карно, Кельвин установил, что отношение абсолютных температур равно отношению количеств тепла в цикле Карно: T1/T2 = Q1/Q2, где – T1 и T2 абсолютные температуры нагревателя и холодильника, Q1 –количество тепла, отбираемого у нагревателя, Q2 – количество тепла, отдаваемого холодильнику. Отсюда, в частности, следует вывод о недостижимости абсолютного нуля, поскольку иначе пришлось бы совершить бесконечно большую работу, отбирая тепло от одного тела и передавая его другому. В 1906г. немецкий физик Вальтер Нернст (1864—1941) сформулировал теорему о том, что энтропия химически однородного твердого или жидкого тела при абсолютном нуле температуры равна нулю. Эту теорему называют третьим началом термодинамики. Термодинамика изучает макроскопические системы, т.е. материальные объекты, состоящие из большого числа частиц. При этом она не рассматривает микроскопическое строение макросистем. Принимается, что совокупность независимых параметров, описывающих макроскопическую систему, определяет ее состояние. Величины, которые не зависят от предыстории системы, т.е. от пути, по которому система пришла в данное состояние, называются функциями состояния.Согласно первому началу функцией состояния является внутренняя энергия системы, а по второму началу - энтропия - функция состояния. Вместе с тем, двум основным понятиям - работе и теплоте, в общем, не соответствуют функции состояния. Понятие работы пришло из механики с тем же смыслом. Работа зависит от формы пути, по которому система переходит из начального состояния в конечное. Понятие «количество теплоты» перешло из учения о теплороде. Эта величина также не является функцией состояния, поскольку количество тепла, передаваемого телу, или отбираемого от него, зависит от способа подвода или отвода. Например, при нагревании одной и той же массы тела на 1° при постоянном давлении или постоянном объеме необходимо подводить разное количество калорий. Иногда используется термин «тепловая энергия», который ни в коем случае не имеет смысла количества тепла, полученного телом при теплообмене. При правильном понимании -это внутренняя энергия тела Табиғаттың барлық қозғалыстар мен өзара әрекеттесулердің энергетикалық эквиваленттілігі мен өзара түрленуі туралы негізгі заңы Рудольф Клаузиус "механикалық жылу теориясы" деп атаған жаңа теорияның негізін қалады, ал Уильям Томсон (лорд Келвин) оны "термодинамика"деп атады. Бұл теорияда жылу гипотезасы мүлдем қажет емес болып шықты. "Термо" және "динамика" сөздерінен тұратын бұл терминді жылу қозғалысы туралы ілім ретінде түсінуге болмайды. Термодинамика - бұл жылу қозғалысының заңдары (термо) және оның басқа қозғалыс түрлеріне айналуы (динамикасы) туралы ғылым. Карноның идеяларына сәйкес, жылу машинасының қозғаушы күшінің пайда болуы жылудың нақты шығындарымен байланысты емес, тек оның ыстық денеден суыққа ауысуымен байланысты. Екінші жағынан, Джоульдің жұмыс пен жылудың эквиваленттілігін дәлелдеуі жұмысты орындау үшін белгілі бір жылу шығынын қажет етеді деген қорытындыға келді. Пайда болған қарама-қайшылықты Лорд Келвин шешуге тырысты. Джоулдың тәжірибелерін талқылап, Карноның идеяларын ескере отырып, лорд Келвин былай деп жазды: "бұл тәжірибелер жылуды тек көзге көрінетін және жасырын күйде ұстайтын көзден алуға болады деген пікірді жоққа шығаратын сияқты". Осылайша, ол сол кездегі жылу туралы идеяларды түбегейлі қайта қарауды қажет ететін қарама-қайшылықтың пайда болғанын түсінді. 1851 жылы лорд Келвин "жылудың динамикалық теориясы туралы" атты еңбегін жариялады, онда ол өзінің зерттеулерінің нәтижесін тұжырымдады: "Заттың кез-келген массасынан механикалық әсер алу мүмкін емес, тек оны қоршаған денелердің ең суық температурасынан төмен салқындату арқылы". Әйтпесе, алынған жұмысты (мысалы, үйкеліс арқылы) жылуға айналдыруға болады, осылайша жылуды суық денеден жылыға өткізуге болады. Біраз уақыт бұрын Рудольф Клаузиус "жылудың қозғаушы күші туралы" еңбегінде: "жылу өздігінен суық денеден ыстық денеге ауыса алмайды"деген қорытындыға келді. Жылудың бұл ерекшелігін XVIII ғасырдың соңында Блэк атап өтті, бірақ содан кейін оған ешкім назар аудармады. "Өздігінен" термині ешқандай жолмен (жылу өткізгіштіктің, тұтқырлықтың, сәулеленудің және т.б. көмегімен) жылу ешқашан суық денеге байланысты жылы денеде жинала алмайтындығын білдіреді. Кейінірек Клаузиус өзінің сөзін нақтылады:"жылудың суықтан жылы денеге ауысуы өтемақысыз мүмкін емес". Жоғарыда аталған Лорд Келвин мен Клаузиусдің тұжырымдары термодинамиканың екінші бастамасы болып табылады, одан екінші типтегі мәңгі қозғалтқыштың мүмкін еместігі туындайды, яғни. тек жылу резервуарын салқындату арқылы жұмыс істейтін мезгіл-мезгіл жұмыс істейтін машина. Энергияның жылу мөлшерінің эквиваленттілігі (калория) механикалық (килограмм метр) жылудың механикалық табиғатын дәлелдеу кезінде қарастырылды. Осы негізде Клаузиус өзінің жылу теориясын жасады. Жоғарыда айтылған "жылудың қозғаушы күші туралы" еңбегінде Клаузиус "эргал"деп атаған функцияны енгізді. Қазір ол ішкі энергия деп аталады. 1865 жылы Клаузиус энтропия туралы өте маңызды ұғымды енгізді, яғни "өзгеру қабілеті" (бұрылыс, трансформация). Ол энтропияның "бұл кез – келген денені немесе денелер жүйесін қазіргі күйіне келтіру үшін орын алуы керек барлық өзгерістердің қосындысы"екенін түсіндірді. Энтропияның маңызды ерекшелігі-жабық жүйеде ол қайтымды процестер үшін тұрақты болып қалады және қайтымсыз процестер жағдайында ғана өсе алады.1848 жылы Лорд Келвин температураның абсолютті шкаласын енгізді, сондықтан абсолютті температура шкаласы Кельвин шкаласы деп аталды. Карнот идеяларын дамыта және нақтылай отырып, Келвин абсолютті температураның қатынасы Карнот цикліндегі жылу мөлшерінің қатынасына тең екенін анықтады: T1/T2 = Q1/Q2, мұндағы-T1 және T2 жылытқыштың және тоңазытқыштың абсолютті температурасы, Q1-жылытқыштан алынатын жылу мөлшері, Q2-тоңазытқышқа берілетін жылу мөлшері. Осыдан, атап айтқанда, абсолютті нөлге қол жетімсіздігі туралы қорытынды шығады, өйткені әйтпесе бір денеден жылуды алып, оны екіншісіне беру арқылы шексіз үлкен жұмыс жасау керек еді. 1906 жылы неміс физигі Уолтер Нернст (1864-1941) температураның абсолютті нөліндегі химиялық біртекті қатты немесе сұйық дененің энтропиясы нөлге тең деген теореманы тұжырымдады. Бұл теорема Термодинамиканың үшінші бастауы деп аталады. Термодинамика макроскопиялық жүйелерді, яғни көптеген бөлшектерден тұратын материалдық заттарды зерттейді. Сонымен қатар, ол макро жүйелердің микроскопиялық құрылымын қарастырмайды. Макроскопиялық жүйені сипаттайтын тәуелсіз параметрлер жиынтығы оның күйін анықтайды деп қабылданады. Жүйенің фонына тәуелді емес шамалар, яғни. жүйе осы күйге келген жолдан күй функциялары деп аталады.Бірінші басына сәйкес күй функциясы - жүйенің ішкі энергиясы, ал екінші басына энтропия - күй функциясы. Сонымен қатар, екі негізгі ұғым - жұмыс және жылу, жалпы алғанда, мемлекеттік функцияға сәйкес келмейді. Жұмыс ұғымы механикадан бірдей мағынада келді. Жұмыс жүйенің бастапқы күйден соңғы күйге өтетін жолдың формасына байланысты. "Жылу мөлшері" ұғымы жылу туралы ілімнен шықты. Бұл мән де күйдің функциясы емес, өйткені денеге берілетін немесе одан алынатын жылу мөлшері жеткізу немесе шығару әдісіне байланысты болады. Мысалы, бірдей дене салмағын 1° тұрақты қысыммен немесе тұрақты көлемде қыздырған кезде әр түрлі мөлшерде калория беру керек. Кейде "жылу энергиясы" термині қолданылады, ол жылу алмасу кезінде дене алған жылу мөлшерінің мағынасы жоқ. Дұрыс түсіну-бұл дененің ішкі энергиясы Егер ХVII ғасырда физикада (механиканы есептемегенде) эксперимент басым болса, ал ХІХ ғасырда жағдай өзгере бастады. Ампер электрдинамикасы аналог математикалық теорияны электрмагнетизм үшін де жасауға болатындығын мүмкіндік берді. Бірақ Фарадейдің ұлы ашылулары жағдайды түбегейлі өзгертті. Түпкілікті заңды іздестіру тоқтамағанымен, электрдинамикада Макксвелге дейін идеялық әрекет үстемдік етті. Бәрінен бұрын, жылулық құбылыстарды теориялық өңдеу аса қиынға соқты. Мұнда эмпирикалық фактілердің жинақталуы орын алып, жылулық сипаттакмаларды: кеңею, жылуөткізгіштік, меншікті жылусыйымдылық коэффциенттерін анықтау әдістері жасалды. Бұл өзгерістер бір жағынан қрақынды дамыған жылутехникасы үшін де қажет болды. «Әмірші бу» фабрикалар мен зауыттарда, темір жолдарда, теңіз және өзен жолдарында жұмыс жасады. Бу машинасы қарқынды түрде дамыған капиталисттік индустрияеың негізгі және жалғыз қозғалтқышы болды. Эмпиризмнің жалпы жағдайында теориялық сипаттағы тек екі зерттеу ғана бөлініп алынды. Алғашқы зерттеу математикалық сипатқа ие болып, ол математикалық физика дамуына үлкен ықпалын тигізді. Оны француз математигі Жан Батист Жозеф Фурье жасады. Оның «Жылудың аналитикалық теориясы» атты жұмысы өзі 1807 жылдан бастап айналысқан жылуөткізгіштіктің математикалық теориясын қамтыды. Ол жылуөткізгіштіктің дифференциалдық теңдеуін енгізіп, кейбір жекелеген жағдайлар үшін оны интегралдау әдістерін жасады. Фурье өзінің математикалық теориясында функциялардың тригонометриялық қатарларға (Фурье қатарына) ыдырауын қолданды. Математикада осы жайында туындаған пікірталас жемісті болды. Математикалық физикаға Фурье қатарлары мен интегралы берік енді. Фурье жылуды кейбір сұйықтық (жылутегі) ретінде қарастырды. Бұл теорияны тағы бір тамаша ғалым, әскери инженер Сади Карно бөлісті. Сади Никола Леонард Карно француз ревалюциясының «жеңісін ұйымдастырушы» атақты Лазарь Карноның үлкен ұлы болатын. Сади 1796 жылы 1 шілдеде туылды. Ол 1812 жылы Политехникалық мектепке оқуға түсіп, оны 1814 жылы әскери инженер болып аяқтады. Осы уақытта Наполеон жеңіліске ұшырап, Әулие Елена аралына жер аударылған болатын. Садидың әкесі сотталып, ал Карноның әскери карьерасы күмәнді еді. Мектепті аяқтағаннан соң үш жылдан кейін ол емтихан тапсырып, поруит шенімен әскери штабқа өтті де, онда ғылыммен, әуен және спортпен айналысты. 1824 жылы оның «оттың қозғаушы күші туралы пайымдаулар» атты негізгі еңбегі жарық көрді. Төрт жылдан кейін Карно капитан шенімен демалысқа шықты. Ол 1834 жылы 24 тамызда тырысқақтан көз жұмды. Важным событием в развитии представлений о теплоте стало открытие закона о взаимной превращаемости механической работы и теплоты. Этот закон впервые сформулировал немецкий врач Юлиус Майер (1814-1878) в 1840-1842 гг. Чрезвычайно важными для установления закона сохранения энергии были эксперименты английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818-1889).В 1841 г. он открыл закон, получивший впоследствии имя Джоуля-Ленца:количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении по нему электрического тока, пропорционально силе тока и сопротивлению проводника. В 1847 г. закон сохранения и превращения энергии независимо сформулировал и математически обосновал Герман Гельмгольц в работе «О сохранении силы». Он отмечал всеобщий характер этого закона, которому подчиняются механические, тепловые, электрические, физиологические и другие процессы. Закон сохранения и превращения энергии воспринимался физиками XIX в. как воплощение единства и упорядоченности природы. Карно шығармасы термодинамика бастауы болды. Ол, нақты есептерді шеше отырып, осы есептерді шешудің жалпы термодинамикалық әдісін ұсынды. Карно термодинамикаға циклдер әдісін енгізді. Карно циклі бұл күндері барлық физика оқулықтарында мазмұндалған. Оларда ол Карнода болмаған идеал газға арналған процесс диаграммасымен және есептеулерімен сипатталады. Диаграмма мен есептеулерді 1834 жылы Клапейрон берген болатын. Бенуа Поль Эмиль Клапейрон, француз академигі және инженері, Петербург инженерлер және қатынас жолдары институтының профессоры (1820-1830 жж.) болды. Ол 1834 жылы Карно циклі трактовкасының жалпы қолданыстық формасын және газ күйінің біріккен теңдеуін берді. Оған қысымға балқу нүктелерінің тәуелділігін тұжырымдау (Клапейрон-Клаузиус теңдеуі) тиесілі. Қазіргі кезде Карно тұжырымдамасы келесідей айтылады: Идеал жылу машинасының пайдалы әсер коэффициенті жұмысшы затқа емес, тек қыздырғыш пен салқындатқыш температурасына ғана тәуелді. Бұл тұжырым іргелі қағида ретінде термодинамикаға енді. Карноның бұл жұмысын Клайперон мазмұндап, 1843 жылы Поггендорф «Анналахында» неміс тілінде жариялады. Ол термодинамиканың екінші бастамасының ашылуына алып келген В. Томсон мен Р. Клаузиус зерттеулері үшін бастапқы пункт болды. Энергияның сақталу және айналу заңы. Энергияның сақталу және айналу заңын ашушылар оны анықтауға түрлі жолдармен барды. Майер, медициналық бақылаудан бастай отырып, оны ауқымды заң ретінде қарастырып, ғарыштан тірі ағзаға дейінгі энергетикалық айналулар тізбегін ашты. Джоуль жылу мен механикалық жұмыстың сандық қатынасын қажырлы түрде түрде өлшеді. Гельмгольц заңды XVIII ғасырдың ұлы механиктерінің зерттеулерімен байланыстырды. Идя түрлі жолдармен заңды бекіту мен танытуға ұмтылды. Күрес жеңіл болмағанымен, ол толыққанды жеңіспен аяқталды. Ғылымға энергияның сақталу және айналуының ұлы заңы енді. 2. Лабораторияларды жасау. ХІХ ғасырдың екінші жартысы физиктерді дайындауды ұйымдастырудағы маңызды өзгерістермен ерекшеленеді. Осы уақытта алдымен Еуропада, ал кейін Америкада физикалық лабораториялар жасақталды. Осы лабораториялардың кейбірінде ғылыми мектептер пайда болды. Бұрынғы кезде физик жалғыз жұмыс жасаған. Приборларды негізінен өз ақшаларына сатып алды немесе ғалымдардың өздері дайындады. Кей жағдайларда жекелеген бөлмелер лабораториялар ретінде қолданылды. Ақ жарықты шашырату бойынша тәжірибелерді Ньютон Кембридждегі өз бөлмесінде жасаған. Физикалық прибор ретінде өз ақшасына сатып алған призманы пайдаланған. Франклин атмосфералық электрлікті зерттеу үшін Филодельфиядағы өз үйінде темір оқшауланған серіппені қолданған. Джоуль жылудың механикалық эквивалентін анықтау бойынша өз эксперименттерін Манчестердегі үйінде жүргізген. «Гей-Люссак лаборатория ретінде ылғалды жартылай жертөлелік орынды пайдаланды. Ғалым ылғалдан сақтанып, ағаш шәркейде жұмыс жасаған». Фуко да өз үйінде эксперимент жүргізген. Дэви, Фарадей және Тиндаль жұмыс жасаған Royal Institution лабораториясын Тиндальдің еске түсіруінше «нашар желденіп, нашар жарықталатын және күнделікті көпсағаттық жұмыс үшін мүлдем жарамсыз еді. Бұл, бүкіл Лондондағы ең нашар лаборатория болар». Осы лаборатория 70 жылдай бастапқы қалпында тұрды. Экспериментаторлар практикалық физика бойынша қандай-да бір оқу курсынан өткен жоқ. Ол сол кезде болған жоқ. Сол кездегі университеттерде оқыту классикалық рухта жүрып, негізгі зейін математикалық және гуманитарлық ғылымдарға бөлінді. Физикаға аз орын берілді. Сонымен, Кембридж университетінде 70-ші жылдарға дейін физикадан тек оптика, гидростатика, механика ғана оқытылды. Трипос (ғылыми дәрежеге ізденушілерге арналған емтихан) негізінен математикалық ғылымдарды қамтыды. Германияда ХІХ ғасырдың 40-шы жылдарына дейін оқыту мақсатындағы мекемелер мен ғылыми зерттеу мекемелері арасында үлкен айырмашылық болды. Мұндай жағдай Ресей университеттерінде де орын алып, мұндағы оқытушының негізгі міндеті – дәріс оқу болып, ал ғылым сабағы бар болғаны – міндетті емес, екіншілік мәнге ие болды. ХІХ ғасырдың ортасындағы өнеркәсіптің, машина жасаудың, химия өнеркәсібінің, металлургия мен тау-кен ісінің, темір жол құрылысының қарқөынды дамуы, кеме және әуе жолдарының пайда болуы – осының барлығы ғылым дамуын ынталандырып, оны ұйымдастырудың жаңа формаларына жол ашты. Ғылым мен техника байланысы барынша күшейді. Техника ғылымға табиғат құпияларын тангудың барынша қуатты қралдарын берді. Ауа үрлегіштердің жетілуі бұрындары мүмкін болмаған тәжірибелер мен өлшеулерді мүмкін еткен вакуум алуға жағдай жасады. Осы уақытта физикалық теория мен эксперимент анағұрлым күрделенді. Физиктер алдында тұрған жаңа міндеттер өз шешімі үшін физиктердің барынша көп санын қажет етті. Жаңа жағдайларда ғалымдарды дайындаудың жаңа формалары мен қарқынын қарастыру қажет болды. Ескі білім мекемелері осы рөлді атқара алмай, оларды қайта құру мүмкін болмады. ХІХ ғасырдың қырықыншы жылдарынан бастап физикадағы зерттеулердің ұжымдық әдістерін ұйымдастырудың жаңа формасы ретінде физикалық лабораториялар жасақтала бастады. Физиктерді қайта жасақтауда көшбасшылық Германияға тиесілі болып, ол сол кезде ұлттық және мәдени ілгерілеуге аяқ басты. Алғашқөы физика лабораториясын Геттинген университетінде В. Вебер жасақтап, оны сонда 1831 жылы Гаусс шақырған болатын. Вебер студенттерді дәрістік тәжірибелер дайындауға тартты. Ең қабілеттілерге ол кішігірім физикалық зерттеулерді ұсынды. Ол кейінірек сұраныс білдірушілерге практикалық сабақтар енгізді. Вебердің кезінде физикалық бөлімді эксперименттік және теориялық физика кафедраларына бөлу жүрді. Алғашқысын Вебер, ал екіншісін – Листинг басқарды. Қос кафедрасының да мақсат-міндеттері бірдей болып, мұндағы ерекшелік Вебердің эксперименттік физиканы, ал Листингтің – теориялық физиканы оқытуыда болды. 40-шы жылдары Берлинде университет профессоры Генрих Густав мангус өз үйінің бірнеше бөлмесін физикалық лабораторияға айналдырып, онда жұмыс жасасу үшін студенттерді қабылдады. Мангуста тек Германиялық ғана емес, соынмен қатар, Америкалық, Англия мен Ресейлік жас ізденушілер де оқыды. Мангустағы зерттеу тақырыптары барынша сан-алуан еді. Дегенмен, Мангус лабораториясы Берлин университетіне қарасты жекеменшік лабораториядың жалғызы болған жоқ. Тіпті әрбір физик профессор өз пәтерінде лаборатория ашып, онда студенттер практикалық жұмыстар жасады. Мангустан ерекшелігі, Ф. Нейман өзінің Кинсбергтегі лабораториясында эксперименттік және теориялық физикаларды біріктіре білді. Нейман лаборатырияны құру кезінде көптеген қиындықтарға тап болды. Ол ресми билікке математикалық физика бойынша өз семинарына қосымша физикалық лабораторияны қаржыландыру өтінішімен шықты. Ресми билік бас тартты. Нейман лабораторияны өз қаржысына ұйымдастырды. Неманның шәкірттері Мангусқа қарағанда аз болды. Олар, эксперментке өтпестен бұрын, механика мен математикалық физика бойынша үлкен дайындықтан өтті. Оның ұлы оқушыларының арасында Густав Роберт Кирхгоф та болды. 1872 жылы негізі қаланған жаңа Страсбург университетінде физикалық институт құрылысы алдын-ала қарастырылған болатын. Оның директоры Кундт көптеген институттар үшін ұзақ уақыт прототип болған оқу мен зерттеуге арналған өте қолайлы институтты жасақтады. Мұнда Кундт басшылығымен Рентген, Лебедев, пашен, Рубенс, Винер, Голицын секілді экспериментаторлардың ұзын-сонар тізбегі дайындалды. Страсбург университетінің соңынан 1875 жылы Лейпцигте, Мюнхенде, Бонда, Бреслауда, Фрайбург пен басқа да қалаларда физикалық институттар салына бастады. Көп ұзамай әрібр неміс университеті жақсы жарақталған физикалық лабораториясымен даңқы шықты. Лабораториялар жасау физикалық приборлар шеберханаларының ескілерінің дамуына, ал жаңаларының негізделуіне жол ашты. ХІХ ғасырдың 70-ші жылдары әлемнің жетекші капиталисттік державасы – Ұлыбритания өз даңқын жоғалта бастап, өзінің біршама жас қарсыластары – Германия мен АҚШ-қа жол бере бастады. Бұл құлдырау лабораториялар құрылысы қарқынында да көрініс берді. Ұлыбританиядағы эксперименттік оқыту пионерлерінің арасында профессорлар – В. Томсон (Кельвин), Клифтон, Фостер, Адамс, Б. Стюарт болды. 1871 жылы Оуэн-колледжінде (Манчестер) физикалық лабораториядағы сабақтар Бульфор Стюарт басшылығымен жүргізіле бастады. Одан белгілі ағылшын физигі А. Шустер және электронды ашқан атақты Дж.Дж. Томсон эксперименттеу өнерін үйренді. Кембриджде эксперименттік өнерге оқыту 1874 жылдан бастап атақты Кавендиш лабораториясы ғимаратында жүргізіле бастады. Ол жекелеген құралдарға құрылып, физиканы дамытуда үлкен рөл атқарды. Түрлі уақытта оның жетекшілерінің Максвелдің, Рэлейдің, ДЖ.ДЖ. Томсонның, Резерфордтың болғандығын айту жеткілікті. 1869 жылы Бостондағы Массачусет технология институтында жүйелі лабораториялық оқытуды профессор Э.С. Пикеринг біршама үлкен қарқынмен енгізді. Массачусет технология институтының негізін салушы В.Б. Роджерс болды. Ол елді экономикалық өсіру жағдайындағы жаңа білім мекемелерінің маңыздылығын мойындады. Роджерс лабораториялардағы оқуға ерекше маңыз берді. 1868 жылы 31 шілдеде француз білім Министрі студенттерге арналған практикалық сабақтарды жүргізу мен студенттер үшін лабораториялар және ғылыми зерттеулер үшін арнайы лабораториялар жасау қажеттігін мақұлдайтын екі декрет қабылдады. Осы жылы профессор Жамен Сорбонда лабортория ашты. Ол өлгенге дейін осы лабораторияны басқарып өтті. 1868 жылы Францияға келген профессор Адамс «практикалық физикаға жүйелі оқыту жүргізілген жалғыз лабораторияны тапты». 1891 жылдан бастап Сорбонда оқыған М. Складовская-Кюри физика бойынша практикалық оқу курсынан өткенімен, ол металдардың магниттік қасиеттерін зерттеу бойынша алғашқы зерттеуін Сорбонның асқын жүктелген лабораторияларында жүргізе алмады. Орыс физиктері үшін жұмыс орны қызметін физикалық кабинеттер атқарды. Мұнда дәрістік демонстрацияларда қолданылатын аппаратура сақталды. Ресейдегі алғашқы лаборатория негізін 1865 жылы Петербург университетіне қарасты Ф.Ф. Петрушевский қалады. Лаборатория ғимарат, қажеттілік үшін шығарылған приборлар мен құралдар жетіспеуінен үлкен қиындықтарды бастан кешірді. Петрушевский және оның шәкірті И.И. Боргман замаануи талаптарға жауап беретін физикалық лаборатория салу үшін күресті. Олардың қамқорлығының арқасында физикалық институттың жаңа ғимаратын салуға қажет қаражат бөлініп, 1901 жылдың 9 қыркүйегінде физикалық институт ашылды. 1867 жылы Д.А. Лачинов Петербург жерісі институтында физикалық лаборатория жасақтады. 70-інші жылдары В.П. Авенариус Киев университетінде, ал А.Г. Столетов – Мәскеу университетінде физикалық лабораториялардлы ұйымдастырды. Сонымен, шетелдегі лабораториялармен бірмезгілде Ресейдегі Петербург және Мәскеу университеттерінде физикалық лабораториялар пайда болды. Бірақ Ресейдің экономикалық мешеулігі, үкіметтің реакциялығы лабораториялардың дамуына кедергі келтірді. Лабораториялық құралдар қажеттігіне жұмсалатын қаржының мардымсыздығы, ғылыми зерттеулер маңызын бағаламау ғылыми лаборатория жетекшілерін эксперименттік жұмысқа арналған әрбір бөлме үшін, әрібр прибор, әр шәкірт үшін тұрақты түрде күрес жүргізуге мәжбүрлеп, көптеген уақыт пен күшті зая етті. №16 |