термодинамика. История развития теплопередачи и теплообмена
 Скачать 60.25 Kb.
|
|
ГБП ОУ РК «Керченский морской технический колледж»
Оглавление4.Развитие учения о теплоте на основе теории теплорода 11 Литературные источники 19 Введение Термодинамика- это раздел физики, который изучает закономерности преобразования энергии в различных процессах(физические, химические, биологические), которые сопровождаются тепловыми явлениями, а также свойства тел, которые участвуют в этих преобразованиях. Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему, либо непосредственно (при контакте), или через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Теплообмен- (передача тепловой энергии), процесс переноса теплоты от одного объекта к другому. Перенос происходит в течение времени, когда два или более тела при разных температурах находятся в термоконтакте.
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, и редактор ведущего физического журнала «Annalen der Physik» Поггендорф, будучи сам экспериментатором, тщательно заботится о том, чтобы на страницы журнала не попала «метафизика». Но уже волновая оптика Юнга и Френеля представляла собой, кроме совокупности изящных и остроумных опытов, стройную теоретическую систему, позволившую Гамильтону предсказать тонкое, трудно наблюдаемое явление конической рефракции. 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. Электродинамика Ампера позволяла надеяться, что аналогичная математическая теория будет разработана и для электромагнетизма. Но великие открытия фарадея спутали все карты, и, хотя поиски обобщающего закона не прекращались, в электродинамике до Максвелла господствовал идейный разброд. Труднее всего поддавались теоретической обработке тепловые явления. Здесь еще шло накопление эмпирических фактов, разрабатывались методы определения тепловых характеристик: коэффициентов расширения, теплопроводности, удельных теплоемкостей. Эти измерения нужны были и для бурно развивающейся теплотехники. «Его величество пар» работал на фабриках и заводах, на железных дорогах, на морских и речных путях Паровая машина была основным и единственным двигателем бурно развивающейся капиталистической индустрии. Правительство капиталистической франции сочло необходимым субсидировать исследования Анри Виктора Реньо (1810—1878), предпринятые «с целью определить числовые данные, важные в теории паровой машины». «Большие средства, представленные в распоряжение Реньо, — писал А. Г. Столетов, — позволили ему не стесняться ни помещением, ни размерами аппаратов». Лаборатория Реньо помещалась в небольшом здании, построенном им в саду College de France. Лаборатория была хорошо снабжена для термодинамических исследований (паровая машина в 4 л. с., газометры, манометры в 20 м длиной, точные термометры, барометры, прибор, служивший Реньо для определения абсолютного расширения ртути, приборы для калориметрических измерений и т. д.). С 1854 г. Реньо директор Севрской фарфоровой фабрики, где для него также сооружается обширная лаборатория для научных исследований по теплоте. Реньо привлекает к своим исследованиям молодых ученых. В основном молодые исследователи из франции, Германии, Италии, Швеции, Швейцарии и России работали в Севрской лаборатории Реньо. Эксперименты, которые здесь проводились, относились к определению скрытой теплоты различных жидкостей при переходах из парообразного состояния в жидкое и наоборот. Методы тепловых измерений, предложенные Реньо, переносились в научные и учебные лаборатории высших учебных заведений, и еще в XX в. почти все физические практикумы университетов по теплоте были поставлены «по Реньо». Исследования Реньо начали публиковаться в конце 30-х годов XIX в. В 1847 г. вышел первый том его «Сообщений об опытах предприятий по распоряжению министров общественных работ». Лаборатория Реньо вместе с его последними трудами была уничтожена немцами при взятии Парижа в 1870 г. Реньо был ярким представителем экспериментального направления в физике XIX в. А. Г. Столетов совершенно точно характеризовал его: «Реньо не проводил новых идей в науке, если не считать того скептицизма, с которым он относился к слишком ранним обобщениям фактов и обличал неточность положений, до тех пор принимавшихся за непреложные законы. Новые идеи, как например механическая теория теплоты, проникли в науку помимо Реньо, можно сказать, вопреки ему: он не вдруг в них уверовал. Он считал себя работником, собирателем материалов, измерителем, и в этом смысле он не имеет себе подобного». Эта очень важная характеристика, данная Столетовым, может быть приложена не к одному Реньо, а ко многим, даже подавляющему большинству физиков первой половины XIX в. Таким был, например, уже упоминавшийся Иоганн Кристиан Поггендорф, внесший определенный вклад в развитие электрических измерений. Таким был и Генрих Густав Магнус (1802—1870), открывший известный «эффект Магнуса» физики этой школы, как справедливо указывал Столетов, настороженно и недоверчиво относились к новым теоретическим обобщениям, и рождение термодинамики было трудным. В общей обстановке эмпиризма лишь два исследования теоретического характера, выполненные в первой четверти столетия, стоят особняком. Первое исследование носило математический характер и оказало существенное влияние на развитие математической физики. Оно было выполнено французским математиком Жан Батистом Жозе-фом фурье (1768-1830). Его работа «Аналитическая теория тепла» содержала математическую теорию теплопроводности, которой фурье занимался начиная с 1807 г. Фурье вывел дифференциальное уравнение теплопроводности и разработал методы его интегрирования при заданных краевых условиях для некоторых частных случаев. В своей математической теории Фурье применил разложение функции в тригонометрический ряд (ряд фурье). Возникшая в математике дискуссия по этому поводу оказалась плодотворной, и в математическую физику прочно вошли ряды и интеграл Фурье. фурье рассматривал теплоту как некоторую жидкость (теплород). Большего ему не требовалось, и его теория казалась одним из достижений теории теплорода. Эту же теорию разделял и другой замечательный ученый, военный инженер Сади Карно (1796-1832). Сади Никола Леонард Карно был старшим сыном знаменитого «организатора победы» французской революции Лазаря Карно. Сади родился 1 июня 1796 г. В 1812 г. он поступил в Политехническую школу и окончил ее военным инженером в 1814 г. Наполеон к этому времени был разгромлен и сослан на остров Святой Елены. Отец Сади был осужден, и военная карьера самого Карно была сомнительной. Спустя три года после окончания школы он сдал экзамен и с чином поручика перешел в главный штаб, занимаясь в основном наукой, музыкой и спортом. В 1824 г. был издан его главный труд «Размышления о движущей силе огня». Через четыре года Карно вышел в отставку в чине капитана. Умер он 24 августа 1832 г. от холеры. «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» начинаются с характеристик огромной движущей силы тепла. «Развивать эту силу и приспособлять ее для наших нужд—такова цель тепловых машин», —пишет Карно. Он характеризует быстрое развитие тепловых машин и предсказывает им большое будущее: «Если когда-нибудь, — говорит Карно,— улучшения тепловой машины пойдут настолько далеко, что сделают дешевой ее установку и использование, то она соединит в себе все желательные качества и будет играть в промышленности роль, всю величину которой трудно предвидеть, ибо она не только заменит имеющиеся теперь в употреблении двигатели удобным и мощным двигателем, который можно повсюду перенести и поставить, но и даст тем производствам, к которым будет применена, быстрое развитие и может даже создать новые производства». Предвидение Карно блестяще оправдалось. Двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины получили широкое развитие, создали новые производства: авиационное и автомобильное. Новые двигатели второй половины XX в — ракеты — создали сверхскоростной воздушный транспорт и вывели человечество в космос. «Движущая сила тепла» в наши дни играет огромную роль. Но во времена Карно она только начинала свой путь как малоэкономичная паровая машина. Хотя со времен Севери и Ньюкомена прошло более столетия и паровая машина прочно утвердилась в промышленности, сущность ее работы оставалась неясной, «явление получения движения из тепла не было рассмотрено с достаточно общей точки зрения», как отмечал Карно. Карно видит ненормальность случайных эмпирических усовершенствований паровых машин, он хочет дать теоретические основы теплотехники. В этом огромное историческое значение работы Карно, выходящее далеко за рамки специального исследования. Характерно, что он в своем труде не ограничивается существующими паровыми машинами, а говорит о тепловом двигателе вообще. «Чтобы рассмотреть принцип получения движения из тепла во всей его полноте, —пишет Карно,—надо его изучить независимо от какого-либо определенного агента; надо провести рассуждения, приложимые не только к паровым машинам, но и ко всем мыслимым тепловым машинам, каково бы ни было вещество, пущенное в дело и каким бы образом ни производилось воздействие» (подчеркнуто мною. —П. К.). Так, отправляясь от конкретной задачи, подсказанной практикой, Карно формулирует абстрактный, общий метод ее решения — термодинамический метод. Сочинение Карно явилось началом термодинамики. Карно ввел в термодинамику метод циклов. Цикл Карно описывается сегодня во всех учебниках физики. В них он сопровождается диаграммой процесса и расчетами для идеального газа, которых нет у Карно. Диаграмма и расчеты были даны в 1834 г. Клапейроном, который повторил работу Карно. Бенуа Поль Эмиль Клалейрон (1799— 1864), французский академик и инженер, был в 1820-1830 гг. профессором Петербургского института инженеров 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). Карно в своем исследовании придерживается еще теории теплорода. Он рассматривает работу тепловой машины как результат перепада теплорода с высшего уровня на низшие. «Возникновение движущей силы,— пишет Карно, — обязано в паровых машинах не действительной трате теплорода, а его переходу от горячего тела к холодному...» Общий вывод Карно формулирует следующим образом: «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми в конечном счете происходит перенос теплорода». В наше время этот вывод Карно формулируется иначе: коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины не зависит от рабочего вещества, а зависит лишь от температуры нагревателя и холодильника. Вывод этот вошел в термодинамику в качестве фундаментального принципа, а сама 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, приведших к открытию второго начала термодинамики. Хотя Карно в своей работе опирался на неверную теорию теплорода, его глубокий ум скоро почувствовал недостатки этой теории.(Исторический анализ пути, приведшего Карно к изложенному открытию, дан в работе Б. И. Спасского и Ц. С. Сарангова «К истории открытия теоремы Карно», УФН, 1960, т. 99, вып. 2.) Карно сделал следующее примечание к своей ра,боте: «Основные положения, на которые опирается теория тепла, требуют внимательного исследования. Некоторые данные опыта представляются необъяснимыми при современном состоянии теории». В своем дневнике, выдержки из которого были опубликованы его братом после смерти Карно, он пишет: «Тепло не что иное, как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел; повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила. Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает». Если заменить слова «движущая сила» словом «энергия», то мы получим законченную формулировку закона сохранения энергии. В последней формуле Карно дает значение механического эквивалента теплоты. Оно равно 370 кгс • м на 1 ккал, т. е. имеет правильный порядок величины. Таким образом уже к 30-м годам XIX в. настало время для возвращения к идеям Ломоносова относительно теплоты. К сожалению, имя Ломоносова к тому времени на Западе было основательно забыто, и основоположники механической теории теплоты создавали ее заново.
С освоением новых наукоёмких технологий расширяется и усложняется круг задач по исследованию процессов теплопередачи. Нуждается в дальнейшем развитии теория сложного теплообмена, обусловленного переносом тепла конвекцией, излучением и теплопроводностью, турбулентного переноса тепла, массы и количества движения в нестационарных условиях. Сравнительно новым направлением в исследовании задач конвективного теплообмена является решение так называемых сопряженных задач, когда в отличие от традиционного изучения теплообмена твердого тела с потоком жидкости рассматривается взаимосвязанная задача переноса тепла в жидкостях и твердых телах. Такой подход был применен впервые в 70–80-х годах прошлого века. Например, при конструировании теплообменного оборудования с развитой поверхностью (оребренная стенка) обычно применяют инженерные методики теплового и гидравлического расчета, основанные на осредненных по поверхности коэффициентах теплоотдачи и гидравлических сопротивлениях, которые, как правило, определяются экспериментальным путем. Повышенные требования к разработке современных теплообменных устройств заставляют изыскивать и развивать более уточненные методики расчета теплообменных процессов. Учет интегральных характеристик течения и теплообмена, на которые традиционно опираются инженерные методики, не позволяют оптимально выбрать размеры оребрения и теплообменника в целом. Поэтому в последние годы развиваются методы расчета теплообменного оборудования с использованием локальных характеристик, адекватно отражающих реальные условия течения и теплообмена. Такие характеристики могут быть получены при постановке и решении сопряженных задач. В связи с широким внедрением криогенной техники существенно продвинулись работы по исследованию теплообмена излучением при криогенных температурах применительно к сверхпроводящим устройствам и криостатам для создания эффективной вакуумно-порошковой многослойной изоляции. Здесь рассматривается комбинированный радиационно-конвективный теплообмен. Разрабатываются уточненные, с использованием компьютерных программ методы анализа теплообмена в топочных устройствах. Развиваются расчетные приемы, позволяющие получить более полную информацию о тепловом состоянии топок, что дает возможность улучшить их конструктивные решения и режимный характер работы. Проанализированы новые явления при теплообмене: свободная конвекция в случае нагрева сверху (векторы потока тепла и силы гравитации совпадают), термоконвективные волны и др. Актуальным остается более детальное изучение методов интенсификации теплообмена (добавление в поток жидкости поверхностно-активных веществ, создание пульсаций жидкости, вибрация поверхностей нагрева и др.). Развитие теории теплопередачи, разработка современных инженерных методов расчета теплообменного оборудования остаются актуальной задачей для перехода к новым наукоемким инновационным технологиям.
Теплообменником называется устройство, в котором происходит теплообмен между двумя, различными по температуре, теплоносителями. Теплообменники используются во многих сферах производства: химической, атомной, нефтеперерабатывающей, газовой, энергетической, а также в коммунальном хозяйстве. Поскольку использование энергетических ресурсов всегда было дорогостоящим делом, человечество было заинтересовано в поиске новых, недорогих энергосберегающих технологий.
Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Разработка теоретических основ теплотехники необходима для установления наиболее рациональных способов тепловой энергии, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов. Среди теплообменного оборудования самым распространенным считается кожухотрубчатый теплообменник. Он предназначен для термохимических и теплообменных процессов между жидкостями, газами и парами. Процесс может протекать как с изменением агрегатного состояния, так и без него. Подобные аппараты появились еще в начале XX века в связи с потребностью в специальных теплообменниках с большой поверхностью. Они использовались в качестве подогревателей воды и конденсаторов, работающих при высоком давлении. С учетом опыта эксплуатации и разработок агрегаты усовершенствовались, они нашли свое широкое применение в нефтяной промышленности. Однако со временем потребовалось изменить конструкцию для обеспечения простоты ремонта и чистки, ведь теплообменники часто работали в сложных условиях, с загрязненной жидкостью и при высоких температурах и давлении. Сегодня кожухотрубчатый теплообменник стал одним из самых популярных аппаратов. Его широкое распространение стало возможным благодаря тому, что аппарат применяется в разных условиях эксплуатации, он выдерживает даже существенные перепады температуры. Теплообменники имеют размеры от малых до предельно больших, они могут достигать 5 тыс. м2. Учитывая требования к стоимости, коррозии, температурному режиму и к давлению, возможно изготовление кожухотрубчатых теплообменников из разных материалов. Один из плюсов этого оборудования – это возможность чистки и ремонта такой важной детали, как пучки труб. Как в аппаратх происходит процесс теплообмена? Он осуществляется через трубы. Первый теплоноситель протекают по трубам, а другой – по межтрубному пространству. Теплота передается через поверхность труб. Теплоносители могут двигаться по-разному. От этого зависит тип теплообменника: он бывает одноходовым и многоходовым. В первом оба теплоносителя движутся по всему сечению, не меняя свое направление. В многоходовом потоки могут последовательно менять свое направление, этому способствуют различные перегородки. Таким образом, увеличивается скорость потока и коэффициент теплоотдачи. В чем заключаются преимущества кожухотрубчатых теплообменных аппаратов? Стойкость к гидроударам. Пониженные требования к чистоте используемых сред. Низкий коэффициент теплопередачи. Большие габариты и площади аппарата. Несомненные достоинства этого оборудования привели к тому, что оно используется во многих сферах: химическая, газовая и нефтяная промышленность, теплоэнергетика, пищевое производство.
Тепловыми явлениями ученые и философы начали интересоваться еще в древности. Однако ничего, кроме самых общих предположений об этих явлениях, носивших обычно самый фантастический характер, ни в древности, ни в средние века высказано не было. По-настоящему учение о тепловых явлениях начало развиваться только в XVIII в. после изобретения первого теплоизмерительного прибора — термометра. История изобретения термометра довольно длинная. Она начинается с изобретения Галилеем прибора, который можно назвать термоскопом. Прибор Галилея состоял из тонкой стеклянной трубки, один конец которой заканчивался шариком . Открытый конец трубки опускался в сосуд с водой, которая заполняла и часть трубки. Когда воздух в Шарике нагревался или охлаждался, столбик воды в трубке опускался или поднимался. После Галилея многие ученые конструировали подобного рода приборы, постепенно совершенствуя их . Стеклянные трубки стали снабжать шкалой, возникло представление о существовании постоянных температурных точек и т. д. Однако первые термометры были еще очень несовершенны. В их конструкциях не было единообразия, каждый изобретатель выбирал свои основные температурные точки и шкалы. Сравнивать показания различных термометров было практически нельзя. Впервые практически пригодные термометры, дающие одинаковые показания, были изготовлены голландским мастером-стеклодувом Фаренгейтом в начале XVIII в. Термометры Фаренгейта имели современный вид. Фаренгейт использовал спирт или ртуть. В его шкале, которая в последующем получила распространение, за одну основную температурную точку была выбрана температура смеси воды, льда и поваренной соли, равная 0°. За вторую температурную точку он взял температуру смеси льда и воды, которую принял за 32°. Температура человеческого тела по шкале Фаренгейта равна 96°. Эту температуру он принял за третью основную температурную точку. При такой шкале температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении оказалась равной 212°. Новый способ изготовления и калибровки термометров предложил француз Реомюр в 1730 г. Он принял одну постоянную точку — температуру таяния льда, а за один градус считал температуру, соответствующую расширению спирта на одну тысячную долю своего объема. Определяя затем температуру кипения воды, он получил ее равной 80°. Эта шкала температур: 0° — температура таяния льда и 80° — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении — стала называться шкалой Реомюра. В 1742 г. шведский астроном Цельсий предложил стоградусную шкалу температур, по которой за 0° принималась температура кипения воды, а за 100° — температура таяния льда. Современная стоградусная шкала, носящая название шкалы Цельсия, была введена несколько позже. В XVIII в. предлагались и другие температурные шкалы, но они не удержались в процессе развития термометрии. Интересно отметить, что появление и усовершенствование термометра в значительной степени было обусловлено его применением для метеорологических исследований. Первоначально термометр вместе с барометром и гигрометром часто рассматривали как метеорологический прибор. Так, например, в «Экспериментальной физике» Х. Вольфа описание термометра помещено в части, носящей название «Об опытах и наблюдениях около перемен атмосферы». Термометр, конечно, нашел и другие применения. Его стали использовать в быту, медицине, для физических исследований и т. д. Однако еще в 70-х годах в немецком издании - «Элементов химии» Бургаве автор писал, что термометр «является, как известно физико-математическим прибором, принадлежащим к аэрометрии». Изобретение термометра дало возможность заняться количественными исследованиями тепловых явлений. С другой стороны, эти исследования стимулировались задачей усовершенствования термометра. Первые исследования тепловых явлений были посвящены калориметрии, изучению теплового расширения тел и явлений теплопроводности. Исследования по калориметрии начались еще тогда, когда не было выяснено, что теплота имеет две меры: температуру и количество теплоты, еще не существовало понятие теплоемкости и т. д. Именно в процессе развития прежде всего калориметрических исследований и сформировались эти основные понятия теплофизики. Первые исследования по калориметрии, давшие существенные результаты, принадлежат петербургскому академику Георгу Рихману (1711— 1753). В 1744 г. Рихман установил формулу для температуры смеси. Он полагал как само собой разумеющееся, что если теплота, распределенная в какой-либо массе жидкости, затем распределяется в такой же жидкости, имеющей массу в k раз большую, то температура при этом уменьшается в k раз. Из этого предположения следует, что если имеется масса т жидкости, в которой распределена теплота температуры t, а затем эта же теплота распределяется в массе т' такой же жидкости, то температура последней равн: t' = mt/m'. В общем же случае температура t смеси масс жидкостей m1, m2, /Из, имеющих соответственно первоначальные температуры t1, t2, t3,..., определяется формулой t = (m1t1 + m2t2 + m3t3 + ... )/(m1 + m2 + m3 + ...). Хотя Рихман уже интуитивно чувствует, что для тепловых явлений следует различать две величины — температуру и количество теплоты, тем не менее он еще не разделяет их. Рихман использовал термин «теплота» и в смысле температуры, и в смысле количества теплоты, хотя употреблял и термин «температура». Вопрос о распределении теплоты между неоднородными телами был более сложным. Опыты по определению температуры смеси двух разных жидкостей проводились еще до исследования Рихмана. Так, например, Бургаве измерял температуру смеси веды и ртути, имеющих первоначально разные температуры. Но как в общем случае распределяется теплота при тепловом контакте различных тел, было еще не ясно. Высказывались некоторые догадки, в частности, предполагалось, что теплота распределяется равномерно по объему. Однако вскоре выяснилось, что этот вопрос решается не так просто. Исследования привели к возникновению понятия удельной теплоемкости и выявили, что эта величина не имеет простой связи ни с каким свойством того или иного вещества. Были измерены удельные теплоемкости ряда веществ. Важным было открытие теплоты плавления. Оно было сделано английским ученым Джозефом Блэком (1728—1799). Еще в 50-х годах он установил, что если взять определенную массу льда при температуре его плавления и такую же массу воды при температуре примерно 80°С, то в результате смешивания весь лед растает, а температура воды станет равной первоначальной температуре льда (т. е. 0°С). Отсюда он сделал вывод, что на процесс таяния льда затрачивается определенное количество теплоты, хотя температура его при этом не изменяется. Теплота поглощается водой, образовавшейся из льда. Эта теплота была названа Блэком «скрытой теплотой». Блэк также открыл существование «скрытой теплоты парообразования». Проводились исследования распределения теплоты между телами из различных веществ при тепловом контакте. В результате возникло понятие о теплоемкости и удельной теплоемкости. Были проведены измерения удельных теплоемкостей ряда твердых и жидких тел. При этом совершенствовалась техника калориметрических исследований, были сконструированы простейшие калориметры. Постепенно выяснялся и вопрос о мерах теплоты и о различии понятий температуры и количества теплоты. Блэк уже в 1753 г. в своих лекциях специально подчеркивал: «Когда мы говорим о распределении теплоты, всегда нужно различать количество теплоты и силу теплоты и не смешивать эти две величины». Развитие калориметрических исследований было связано с представлением о сохранении количества теплоты при ее распределении между телами (это представление использовали и при исследовании теплопроводности). Постепенно физики и химики привыкали пользоваться уравнением теплового баланса, на основе которого производятся все калориметрические расчеты. Уравнение теплового баланса для простейшего случая использовал уже Рихман. В более общей форме им пользовался Блэк. Обсуждая опыт смешения одинаковых масс ртути и воды, Блэк писал: «...когда нагретую ртуть смешивают с нагретой водой, то температура смеси падает до 120° вместо 125° (125° — средняя температура; вода берется при температуре 100°, а ртуть при температуре 150° Фаренгейта. — Б. С.). Ртуть, таким образом, охлаждается на 30°, а вода нагревается на 20°, однако количество теплоты, которое получила вода, равно количеству теплоты, которое потеряла ртуть». Можно считать, что к 80-м годам XVIII в. сложились основные понятия учения о теплоте. В вышедшем в 1783 г. сочинении «Мемуар о теплоте» французских ученых Антуана Лавуазье (1743—1794) и Пьера Лапласа (1749—1827), подводящем как бы итог развития учения о теплоте, понятия температуры, количества теплоты, теплоемкости и т. д. считаются уже установленными. Исследуются явления передачи теплоты, которые также играли важную роль в установлении основных понятий учения о теплоте. В работе 1701 г., посвященной вопросам теплоты, Ньютон установил закон охлаждения тел: «Теплота, которую нагретое железо сообщает в заданное время смежным с ним холодным телам, т. е. теплота, которую железо утрачивает в продолжении заданного времени, пропорциональна всей теплоте железа; поэтому, если времена охлаждения принимать равными, то теплоты будут в геометрической прогрессии». Дальнейшие исследования передачи теплоты показали, что этот процесс осуществляется различными способами, имеющими разную физическую природу. Возникли два самостоятельных направления: изучение теплопроводности и теплового излучения. В изучении теплового излучения в XVIII в. были сделаны только самые первые шаги, что же касается вопроса теплопроводности, то во второй половине XVIII в. начали проводить теоретические и экспериментальные исследования этого явления, а в начале XIX в. была создана теория теплопроводности французским ученым Жаном Батистом Фурье (1768—1830). Итогом его исследований явилась монография «Аналитическая теория теплоты», вышедшая в свет в 1822 г. Первая попытка теоретического анализа явлений теплопроводности была основана на прямом применении закона охлаждения Ньютона. Однако при этом возникли трудности. Закон охлаждения, если можно так сказать, интегральный закон, а для теории теплопроводности было необходимо установить соответствующий дифференциальный закон. Если рассматривать поток тепла вдоль стержня, то для того, чтобы составить соответствующее дифференциальное уравнение, нужно рассматривать бесконечно близкие слои в этом стержне. Но разность температур между такими слоями также бесконечно мала и непосредственное применение закона охлаждения Ньютона приводит к выводу, что и поток теплоты от слоя к слою также должен быть бесконечно малой величиной. Таким образом, приходим к нелепому результату, равноценному утверждению, что тело не может ни нагреваться, ни охлаждаться за конечный промежуток времени. Фурье разрешил эту трудность, установив, что поток тепла пропорционален не просто разности температур, а разности, отнесенной к единице длины, т. е., говоря современным языком, градиенту температуры. Он установил основной закон теплопроводности. По Фурье, количество теплоты Q, проходящей через площадку S за время т вдоль направления х, таково:  где dT/dx - изменение температуры на единицу длины (градиент температуры); k — коэффициент теплопроводности, зависящий от свойств теплопередающей среды. Этот коэффициент Фурье определяет как «количество теплоты, которое протекает в однородном твердом теле, ограниченном двумя бесконечными параллельными плоскостями, в течение одной минуты через площадку в один квадратный метр, параллельную пограничным плоскостям (находящимся на расстоянии, равном единице.— Б. С.), когда эти плоскости поддерживаются при температурах: одна при температуре кипения воды, другая — тающего льда». Чтобы получить общее уравнение теплопроводности, Фурье применяет найденный закон к бесконечно малым элементам в теплопроводящей среде, устанавливая при этом связь между изменением содержания теплоты в ней и изменением температуры. Фурье, решая задачи по теплопроводности, разработал метод разложения функций в тригонометрические ряды, получившие название рядов Фурье. Он полагал, что довел теорию теплоты до того состояния, до которого развил механику Лагранж, поэтому по аналогии с «Аналитической механикой» Лагранжа Фурье назвал свою книгу «Аналитической теорией теплоты». Что же касается взглядов на природу теплоты, то Фурье признавал теорию теплорода. В XVIII в. начинаются систематические исследования расширения тел при нагревании. Помимо чисто научного интереса явление расширения тел при нагревании имело практическое значение. Изучение расширения тел было необходимо для совершенствования термометра, основанного на явлении расширения жидкостей. Усовершенствование термометров, а также других приборов требовало исследования процесса расширения твердых тел. Так, например, уже в XVIII в. для конструкторов точных часов, необходимых в мореплавании, учет расширения твердых тел в результате нагревания стал технической необходимостью. Известно, что английский конструктор Гаррисон, получивший премию от парламента за свои хронометры, добился хороших результатов после того, как учел законы теплового расширения металлов, из которых изготовлялись детали часов. Первые хорошие количественные результаты по измерению теплового расширения твердых тел получили Лавуазье и Лаплас в начале 80-х годов. Они указывали на важность измерения коэффициентов теплового расширения тел: «Это свойство, присущее телам, занимать различный объем в зависимости от температуры, до которой они доведены, является препятствием, с которым приходится встречаться на каждом шагу в физике и в инженерной практике каждый раз, по крайней мере, когда хотят достигнуть высокой степени точности». Особое значение для развития теории теплоты имели исследования теплового расширения и вообще тепловых свойств газов. Первый газовый закон был установлен англичанином Бойлем и французом Мариоттом во второй половине XVII в., называющийся с тех пор законом Бойля — Мариотта. Интересно исследование свойств газов, проведенное французом Амонтоном, которое было опубликовано в 1703 г. Амонтон занимался конструированием термометра еще до появления термометра Фаренгейта. Ему пришла мысль использовать для измерения температуры изменение упругости воздуха при нагревании. Он сконструировал воздушный термометр, который состоял из U-образной стеклянной трубки, короткий конец которой заканчивался большим стеклянным шаром . Трубка и часть шара заполнялись ртутью. При нагревании шара давление воздуха в нем изменялось и ртуть в трубке поднималась. Помещая шар в тающий лед, а затем в кипящую воду, Амонтон установил, что давление при этом возрастает примерно в три раза. После работ Амонтона вскоре были изобретены практически удобные термометры Фаренгейта, Реомюра и Цельсия. Вопрос о газовом термометре потерял свою значимость. Однако вскоре было замечено, что показания термометров, наполненных ртутью и спиртом, не полностью совпадают. Значит, за основной следовало принять термометр с определенной жидкостью, считая, что ее расширение строго пропорционально повышению температуры. За такую жидкость была принята ртуть, и ртутный термометр стали рассматривать как эталонный. Постепенно, однако, выясняется, что, вообще говоря, тела расширяются не совсем равномерно с ростом температуры. В начале XIX в. английский химик Дэви показал, что термометры, в которых используются различные жидкости, показывают разную температуру в промежутке от 0 до 100°С. В конце XVIII в. были открыты кислород, азот, а затем и другие газы и выяснено, что существует множество газообразных веществ различной природы. При установлении физических и химических свойств открытых газов исследовали и их тепловое расширение. Исследованиями теплового расширения газа занимались французский физик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778—1850) и английский химик Джон Дальтон (1766—1844). В 1802 г. независимо друг от друга они открыли закон, согласно которому все газы расширяются при нагревании одинаково и имеют один и тот же постоянный коэффициент расширения, равный — 0,00375 град-1. Естественно поэтому было предположить, что за эталон следует взять газовый термометр и считать, что газы расширяются пропорционально увеличению температуры. Однако в дальнейшем было выяснено, что этот закон справедлив только для очень разреженных и сильно нагретых газов (так называемых идеальных газов) и соответственно эталонным считать тертометр с идеальным газом. Только развитие термодинамики позволило установить шкалу температур, не зависящую от избранного тела — абсолютную термодинамическую шкалу, о чем будет сказано ниже, при изложении развития термодинамики. В заключение обзора истории теплофизики в рассматриваемый период остановимся кратко на развитии взглядов на природу теплоты. В XVII в. еще не существовало разработанных теорий о сущности теплоты и ученые придерживались различных мнений по этому вопросу. Однако уже наметились два основных направления развития представлений о природе теплоты. Согласно первому направлению, теплоту рассматривали как внутреннее движение частичек тела. Этого взгляда придерживались Ф. Бэкон, Декарт, а также Бойль, Гук и др. (правда, Бойль, считая, что теплота есть движение частичек тела, признавал также и существование материи огня, которая способна приводить эти частички в движение). Представители противоположного направления рассматривали теплоту как вещество. Такого взгляда, например, придерживался Галилей. Он писал: «...тепло, которое мы называем общим словом «огонь», есть множество мельчайших телец, имеющих те или иные фигуры и движущихся с той или иной скоростью». Такое же представление о теплоте высказывал Гассенди, который признавал существование не только атомов тепла, но и атомов холода. Кроме этих двух основных направлений существовали и промежуточные. Ньютон, например, считал, что теплота есть движение эфира. В XVIII в. основные направления продолжают развиваться. Представление о теплоте как о движении частиц тела развивали Иоган и Даниил Бернулли, Герман и др. Наконец, в середине XVIII в. М. В. Ломоносовым была разработана кинетическая теория теплоты. Однако постепенно вещественная теория теплоты получала все большее и большее распространение и в середине XVIII в. стала господствующей. Нагретость тела объясняли присутствием тепловой материи, которая, подобно другим тонким материям, признавалась невесомой. О взглядах физиков и химиков на природу теплоты в последней трети XVIII в. Лавуазье и Лаплас писали: «Физики по своим воззрениям на природу теплоты не единодушны. Большинство рассматривает теплоту как жидкость, которая по своей природе стремится расширяться и проникать в большей или меньшей степени в поры тел, в соответствии с температурой и тепловыми свойствами этих тел». «Другие физики, — продолжают авторы, — рассматривают теплоту как результат неразличимого движения молекул материи... Принимая в расчет принцип сохранения живых сил, можно дать определение: теплота есть живая сила, то есть сумма произведений масс каждой молекулы на квадрат ее скорости». Лавуазье и Лаплас не высказались за или против той или иной гипотезы, придерживаясь принципа не измышлять гипотезы. Но в других сочинениях они явно выступали за вещественную теорию теплоты. Лавуазье даже счел нужным включить в число химических элементов теплород. Лаплас также развивает взгляд на природу теплоты, исходя из представления о существовании специальной тепловой материи. Победа вещественной теории теплоты над кинетической во второй половине XVIII в. была, конечно, исторически обусловлена. Тепловые явления изучали вне связи с другими физическими явлениями, не затрагивая процессы превращения теплоты в работу. Физики имели главным образом дело с явлениями перераспределения теплоты и ее передачей, когда общее количество теплоты остается неизменным. Они полагали, что теплота переходит от одного тела к другому, сохраняя свое общее количество, подобно жидкости, переливаемой из одного сосуда в другой. Они также считали, что теплота «перетекает» по телу, например стержню, без потерь, подобно воде по трубам. Это хорошо укладывалось в представление о теплоте как о веществе; с помощью вещественной теории теплоты легко было объяснять наличие теплового баланса при калориметрических измерениях, явления теплопроводности и т. п. Гораздо более трудными были эти вопросы для кинетической теории теплоты (учитывая тогдашнее состояние науки). Наблюдаемые тепловые явления, казалось, ей противоречили. Так, например, казалось, что из кинетической теории следует пропорциональность теплоемкости тела его плотности. Действительно, отождествляя теплоту с живой силой молекул, надо было признать, что чем больше масса тела, тем больше живой силы нужно передать ему, чтобы сообщить молекулам ту же самую скорость, т. е. нагреть тело до той же температуры. Ничего подобного на опыте не наблюдалось. Между прочим, такого рода аргумент против кинетической теории приводил Блэк. Он писал: «Более плотные тела должны несомненно усиленнее передавать теплоту другим телам. Опыт учит в большинстве случаев прямо противоположному. Подобного рода мнение (кинетическую теорию теплоты.— Б. С.) поэтому нельзя согласовать с фактами». Потребовалось длительное развитие физики, механики и математики, прежде чем кинетическая теория смогла объяснить детали тепловых явлений и их количественные закономерности. Теория теплорода, будучи более простой, в значительно большей степени удовлетворяла эмпирическим и формалистическим тенденциям физиков и химиков, следовавших принципу «гипотез не измышляю». Объясняя тепловые явления присутствием теплорода, частицы которого наделены дальнодействующими силами, эта теория очень хорошо подходила к общей направленности ньютонианской физики. Теория теплорода была исторически необходимым этапом в развитии физики: она сыграла и положительную роль, объединив целый ряд накопленных факторов и частных теорий, и позволила их систематизировать с единой точки зрения. Хотя и в искаженной форме, эта теория отражала некоторые действительные закономерности тепловых явлений. Поэтому она на определенном этапе не тормозила развитие физической науки и не сразу пришла в противоречие с действительностью, продержавшись более столетия. Отношение теории теплорода к кинетической теории теплоты Энгельс сравнивал с отношением диалектики Гегеля к диалектике Маркса. Он писал: «Но и в самом естествознании мы достаточно часто встречаемся с такими теориями, в которых действительные отношения поставлены на голову, в которых отражение принимается за отражаемый объект и которые нуждаются поэтому в подобном перевертывании. Такие теории нередко господствуют в течение продолжительного времени. Именно такой случай представляет учение о теплоте: в течение почти двух столетий теплота рассматривалась не как форма движения обыкновенной материи, а как особая таинственная материя; только механическая теория теплоты осуществила здесь необходимое перевертывание. Тем не менее физика, в которой царила теория теплорода, открыла ряд в высшей степени важных законов теплоты... Точно так же в химии флогистонная теория своей вековой экспериментальной работой впервые доставила тот материал, с помощью которого Лавуазье смог открыть в полученном Пристли кислороде реальный антипод фантастического флогистона и тем самым ниспровергнуть всю флогистонную теорию. Но это отнюдь не означало устранения опытных результатов флогистики. Наоборот, они продолжали существовать; только нх формулировка была перевернута, переведена с языка флогистонной теории на современный химический язык, и постольку они сохранили свое значение. Гегелевская диалектика так относится к рациональной диалектике, как теория теплорода—к механической теории теплоты, как флогистонная теория — к теории Лавуазье». Литературные источники
|