Кинетическая теория газов. Распределение Максвелла.

Другим основным научным занятием Максвелла в это время стала кинетическая теория газов, основанная на представлениях о теплоте как роде движения частичек газа (атомов или молекул). Максвелл выступил в качестве продолжателя идей Рудольфа Клаузиуса, который ввёл понятия средней длины свободного пробега и средней скорости молекул (предполагалось, что в состоянии равновесия все молекулы имеют одну и ту же скорость). Клаузиус же ввёл в кинетическую теорию элементы теории вероятностей.

Максвелл исходил из представления о газе как об ансамбле множества идеально упругих шариков, хаотически движущихся в замкнутом пространстве и сталкивающихся друг с другом. Шарики-молекулы можно разделить на группы по скоростям, при этом в стационарном состоянии число молекул в каждой группе остаётся постоянным, хотя они могут менять скорость после столкновений. Из такого рассмотрения следовало, что в равновесии частицы имеют не одинаковую скорость, а распределяются по скоростям в соответствии с кривой Гаусса (распределение Максвелла). С помощью полученной функции распределения Максвелл рассчитал ряд величин, играющих важную роль в явлениях переноса: число частиц в определённом диапазоне скоростей, среднюю скорость и средний квадрат скорости. Полная функция распределения вычислялась как произведение функций распределения для каждой из координат.

Впервые получил закон равнораспределения кинетической энергии по поступательным и вращательным степеням свободы.

О роли Максвелла в развитии науки превосходно сказал американский физик Р. Фейнман: «В истории человечества (если посмотреть на неё, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием 10 столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть провинциальным происшествием».

Молекулярная физика и Термодинамика

Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765)

В 1735 году, не дойдя до богословского класса, Ломоносов был вместе с другими двенадцатью учениками Спасского училища, отправлен в Петербург и зачислен в студенты университета при Академии Наук. По одной из версий, богословская карьера Ломоносова оборвалась из-за вскрывшегося подлога документов при поступлении. Рукоположение не состоялось, но способный семинарист был направлен на ниву естествознания. В первые дни пребывания в Петербурге Ломоносов и его товарищи поселились при самой Академии Наук, а в дальнейшем переехали на жительство в снятое Академией каменное здание новгородской епархии на 1-й линии Васильевского острова, около Невы. Для них были куплены простые деревянные кровати с тюфяками, по одному маленькому столу и стулу, на всех три платяных и три книжных шкафа. Им были выданы необходимые одежда, обувь, бельё и т.д. Одним из существенных пробелов в их образовании было то, что они не знали немецкого языка, распространённого в то время в Академии. Занятия начались с изучения немецкого языка, которому их обучал ежедневно учитель Христиан Герман.

М.В. Ломоносов утверждает, что все вещества состоят из корпускул – молекул, которые являются «собраниями» элементов – атомов. В своей диссертации «Элементы математической химии» (1741; незакончена) учёный даёт такое определение: «Элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличающихся от него тел… Корпускула есть собрание элементов, образующее одну малую массу».

В более поздней работе (1748) он вместо «элемента» употребляет слово «атом», а вместо «корпускула» - «партикула» - «частица» или «молекула». «Элементу» он придаёт современное ему значение – в смысле предела делимости тел – последней составной их части. Древние говорили: «Как слова состоят из букв, так и тела – из элементов». Атомы и молекулы (корпускулы и элементы) у М.В. Ломоносова часто также – «физические нечувствительные частицы», чем подчёркивает, что эти частицы чувственно неощутимы. М.В. Ломоносов указывает на различие «однородных корпускул, то есть состоящих из «одинакового числа одних и тех же элементов, соединённых одинаковым образом, и «разнородных» - состоящих из различных элементов.

Джеймс Уатт (1736-1819)

Джеймс Уатт – шотландский инженер, изобретатель-механик, член Эдинбургского королевского общества (1784), Лондонского королевского общества (1785), Парижской академии наук (1814). Его именем названа единица мощности – Ватт. Усовершенствовал паровую машину Ньюкомена. Изобрёл универсальную паровую машину двойного действия. Работы Уатта положили начало промышленной революции вначале в Англии, а затем и во всём мире.

Изучая паровую машину Ньюкомена, Уатт убедился в её неэффективности и внёс в конструкцию многочисленные усовершенствования. Уатт показал, что почти три четверти энергии горячего пара тратятся неэффективно: при каждом цикле пар должен нагревать цилиндр, так как перед этим в цилиндр поступала холодная вода, чтобы сконденсировать часть пара для уменьшения давления. Таким образом энергия пара тратилась на постоянный подогрев цилиндра, вместо того, чтобы быть преобразованной в механическую энергию.

Сади Карно (1796-1832)

Николя Леонар Сади Карно – французский физик и математик.

В 1824 году вышла первая и единственная работа Сади Карно – «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Эта работа считается основополагающей в термодинамике. В ней был произведён анализ существующих в то время паровых машин, и были выведены условия, при которых КПД достигает максимального значения (в паровых машинах того времени КПД не превышал 2%). Помимо этого, там же были введены основные понятия термодинамики: идеальная тепловая машины, идеальный цикл, обратимость и необратимость термодинамических процессов.

Авогадро Амедео (1776-1856)

Авогадро Амедео – итальянский физик и химик, челн Туринской Академии наук (1819).

Авогадро родился в Турине, в семье чиновника судебного ведомства. Получил юридическое образование в Туринском университете (1792). Основные его работы посвящены молекулярной физике. В 1811 году он выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества, установил один из газовых законов, названный его именем. Согласно этому закону в одинаковых объёмах газов при одинаковых значениях температуры и давления содержится одинаковое количество молекул. Исходя из этого, разработал метод определения молекулярного и атомного весов. Именем Авогадро названа универсальная постоянная – число молекул в одном моле идеального газа (число Авогадро). Установил количественный атомный состав молекул некоторых веществ, для которых он ранее был определён неправильно (вода, водород, кислород, азот, оксиды азот, лора и др.). Первым обратил внимание на аналогию в свойствах азота, фосфора, мышьяка и сурьмы. Эти химические элементы впоследствии составили главную подгруппу пятой группы периодической системы.

Симеон Дени Пуассон (1781-1840)

Теоретическим обобщение накопившихся экспериментальных знаний занялся известный физик Пуассон.

Так как при адиабатическом процессе температура непостоянна, то закон Бойля-Мариотта требует поправки, которую Пуассон обозначил как коэффициент «гамма» и выразил через соотношение теплоёмкостей. Экспериментально данный коэффициент определялся Вальтером и Гей-Люссаком (эксперимент описан в 1807 году) и затем, более точно Дезормом и Клеманом в 1819 году. Практическое использование адиабатического процесса предложил Сади Карно в работе «Движущая сила огня» в 1824 году.

Жозев Луи Гей-Люссак (1778-1850)

Ученик К.Л. Бертолле. С 1809 года профессор химии в Политехнической школе и профессор физики в Сорбонне (Париж), с 1832 года профессор химии в Парижском ботаническом саду. В 1831-1839 годах – член платы депутатов, где выступал только по научным и техническим вопросам, с 1839 года – пэр Франции. В 1815-1850 годах редактировал совместно с Д.Ф. Араго французский журнал «Annales de chimie et de physique».

Когда Гей-Люссаку было 11 лет, произошла революция 1789 года, которая резко изменила жизнь семьи. В 1793 году отец Гей-Люссака по «закону о подозрительных» был арестован и переведён в Париж. Туда же отправился Гей-Люссак с намерением хлопотать за отца. Здесь его пытались направить в армию, воевавшую в Вандее, однако Гей-Люссаку, благодаря его юридическим знаниям, удалось избежать призыва.

После государственного переворота 27 июля 1794 года (9 термидора II года по республиканскому календарю), которые сверг якобинскую диктатуру, отец Гей-Люссака был освобождён. В 1795 году он отправил сына в пансион Савуре в Париже, который вскоре был закрыт по причине голода, и Гей-Люссак был переведён в пансион Сансье в окрестностях Парижа.

26 декабря 1798 года (6 нивоза VI года), блестяще сдав экзамены, Гей-Люссак стал воспитанником Политехнической школы в Париже с жалованием 30 франков. В 1800 году как один из лучших учеников он получил место в лаборатории известного химика Бертолле.

Исследования газов (1806 год)

В 1806 году Гей-Люссак начал исследования упругости газов в зависимости от температуры, а также процессов парообразования. Аналогичными исследованиями занимался в Англии Дальтон, однако Гей-Люссак ничего не знал о его опытах. Дальтон нашёл, используя достаточно грубые приборы, что при изменении температуры от 0 до 100 С⁰ объём воздуха увеличивается на 0, 302 от первоначального объёма, тогда как Вольта несколькими годами ранее получил результат 0, 38. В 1807 году Гей-Люссак, поставив точный эксперимент, получил значение 0, 375, которое затем долгое время использовалось всеми европейскими физиками. По нынешним представлениям это число соответствует температуре абсолютного нуля 266, 7 С⁰, что очень близко к принятому сейчас значению 273, 15 С⁰.

Проведя аналогичные опыты с другими газами, Гей-Люссак установил, что это число одинаково для всех газов, несмотря на общепринятое мнение, что разные газы расширяются при нагревании различным образом.