Становление теории тепловых процессов

До середины XIX в. в учении о теплоте господствовала теория тепло-рода, созданная в основном Вольфом в начале XVIII в. По этой теории теп-лота — это невесомая жидкость теплород, увеличение которой в теле вызы-вает повышение температуры тела, убыль теплорода из тела понижает тем-пературу последнего. Такие невесомые жидкости в физике того времени иг-рали большую роль. Рассматривались две электрические жидкости (поло-жительное и отрицательное электричество), две магнитные жидкости, теплород.

Против теории теплорода впервые выступил Ломоносов, предложив-ший механическую теорию теплоты, согласно которой тепловые явления вызываются движением молекул. Однако теорией теплорода пользовались до середины XIX в. Даже основатель термодинамики Карно вначале поль-зовался теорией теплорода и только впоследствии перешел к механической теории теплоты.

Для того чтобы опровергнуть теорию теплорода, нужно было доказать что теплота появляется в результате совершения работы. Еще в 1798 г. Румфорд произвел опыт, который мог явиться достаточным доказательст-вом механической теории теплоты. Наблюдая сверление пушечных ство-лов, Румфорд обнаружил, что выделяющаяся при этом теплота пропорцио-нальна затрачиваемой на сверление работе.

Через год после опыта Румфорда Деви, а затем В. Петров наблюдали плавление двух кусков льда при трении одного о другой при температуре ниже нуля. Лед помещался в безвоздушном пространстве и исключался приток теплоты извне.

Однако эти опыты еще не привели к крушению теории теплорода. Лишь после окончательного установления в сороковых годах XIX в. закона сохранения и превращения энергии теплоту стали рассматривать как один из видов энергии, и была установлена количественная связь теплоты и ра-боты — механический эквивалент теплоты.

В теории теплорода за единицу количества теплоты принималась кало-рия — количество теплоты, которое надо сообщить одному кубическому сантиметру чистой воды, чтобы повысить ее температуру на один градус в интервале температур от 19, 5 до 20, 5 °С. Отношение затраченной работы, 6

целиком превращающейся в теплоту, к количеству полученной теплоты бы-ло названо механическим эквивалентом теплоты. Обратная величина назы-валась термическим коэффициентом работы. Механический эквивалент те-плоты обычно измерялся в килограммометрах на килокалорию (кГм/кал) или в джоулях на калорию. Поскольку теплота измеряется в тех же единицах, что и работа, — в джоулях, в понятиях «механический эквивалент теп-лоты» и «термический коэффициент работы» в настоящее время нет необходимости.

Большая роль в установлении эквивалента теплоты и работы принад-лежит Роберту Майеру. Будучи судовым врачом, Майер заметил измене-ние состава крови у людей в местах с жарким климатом. Кровь содержала меньше продуктов окисления, чем кровь у людей в более холодной мест-ности. На основании этих и ряда других наблюдений Майер пришел к выводу об эквивалентности и взаимопревращаемости теплоты и работы. Работа Майера, носившая теоретический характер, не была понята его со-временниками. Основываясь на выведенном им уравнении для связи теп-лоемкостей газов при постоянном давлении и постоянном объеме, Майер в 1842 г. дал сравнительно точное значение механического эквивалента теп-лоты 367 кгм/ккал (точное значение 427 кгм/ккал или 4, 186 Дж/кал).

В 1848 г. точный опыт был произведен Джоулем. Вращая падающим грузом лопасти в калориметре с водой, он мог определить затраченную ра-боту и выделившуюся теплоту, что давало возможность вычислить меха-нический эквивалент теплоты, который Джоуль определил равным 424 кгм/ккал. На рис. 1.1 показана установка опыта Джоуля. Джоуль опре-делил механический эквивалент теплоты также из найденного им незави-симо от Ленца закона о тепловом действии тока.

Рис. 1.1. Схема опыта Джоуля

Интересный опыт произвел в 1853 г. Гирн. Установка опыта Гирна показана на рис. 1.2. Тяжелая плита массой 1 т с железной пластинкой на конце подвешивалась на прочной деревянной раме. На той же раме подве-шивался железный цилиндр массой 1/3 т, а между плитой и цилиндром ви-сел свинцовый цилиндр с цилиндрическим углублением, в которое нали-валась вода и помещался термометр для измерения начальной температу-ры свинца. Железный цилиндр отводился в сторону, его центр тяжести поднимался на высоту h ₁, падая, цилиндр ударялся о свинец и отскакивал обратно на высоту h ₂, плита поднималась на высоту h ₃. Работа, превращен-ная в теплоту при неупругой деформации свинца, равнялась при этом

(1.1.)

где J — механический эквивалент теплоты.

Тотчас же после удара в углубление свинцового цилиндра наливалась вода и вставлялся термометр, что давало возможность определить количе-ство теплоты Q по известным массам свинца и воды, их теплоемкостям и повышению температуры. Полученное Гирном значение механического эквивалента теплоты равнялось 425, 2 кгм/ккал.

В результате этих и многих других работ в середине XIX в. теория те-плорода была окончательно оставлена.

Классические труды одного из основоположников теплотехники ве-ликого русского ученого М. В. Ломоносова, опубликованные в 1740-1750 гг., лежат в основе последующего развития теплотехники. В XVIII и XIX вв. в результате систематических исследований, проводимых русски-ми учеными, а также учеными западноевропейских стран и Америки, на-капливались научные данные, способствовавшие развитию теплотехники как науки.

Рис. 1.2. Схема опыта Гирна

Человечество использует тепловую энергию с начала своего сущест-вования. До второй половины XVII в. она использовалась на месте ее по-лучения, т. е. применялось местное отопление. Правда, у римлян применя-лись водяные системы отопления с использованием термальных вод и подпольное огневоздушное отопление дворцов от одного источника. Однако эти способы после падения Римской империи были совершенно забыты и обнаружены недавно в результате работы археологов.