Предыдущий урок: Физика для чайников. Урок 11. Энергия. Закон сохранения энергии
Вспомним урок Физика для чайников. Урок 1. Что такое физика и с чем ее "едят"? Там рассказывал о том, что вообще такое физика и познакомил с различными ее разделами. Один з них – термодинамика. Давайте вспомним, что это такое: Термодинамика - это наука о тепловой энергии, ее превращении и взаимодействии с другими видами энергии. Благодаря знаниям из этой области физики, были изобретены такие устройства, как двигатель внутреннего сгорания в автомобиле, паровой двигатель в старых поездах, батареи центрального отопления и многое другое. На прошлом уроке я писал, что если на какой-то предмет действует сила трения, тем самым тормозя его движение, то кинетическая энергия этого тела переходит в тепловую. Но что значит тепловая энергия? Что такое температура? Почему тела могут быть холодными и горячими?
В XVIII-XIV веках, для того, чтобы ответить на эти вопросы, ученые предположили, что есть такая субстанция теплород, и что именно она делает тела горячими. Если много теплорода – значит, горячо. Но горячее тело может терять свой теплород. Тогда оно остывает. Сейчас это звучит как бред. Но тогда это была вполне научная теория, и она, даже, внезапно, удовлетворяла принципу «бритвы Оккама». Напомню, что этот принцип гласит: «Не множь сущности без необходимости». Была ли необходимость в теплороде? Да, была. Как еще иначе объяснить «горячесть» или «холодность» тел.
Почему же в дальнейшем отказались от идеи теплорода? Дело в том, что она не объясняет много других фактов. Вот например, почему при тернии друг от друга тела нагреваться? Оттуда там берётся теплород? А почему лед тает, если его нагреть до температуры больше нуля градусов по Цельсию. А почему вода кипит при ста градусах и превращается в пар? Тогда родилась другая гипотеза: все вещества состоят из неких корпускул – мелких невидимых невооруженным глазом частиц. И именно движение этих частиц и есть теплота. Если тело горячее – частицы движутся более интенсивно, чем если тело холодное.
В свете гипотезы корпускул нельзя не упомянуть такого гениального ученого, как Михаил Васильевич Ломоносов. Он предположил, что корпускулы совершают вращательное движение. На основе этих представлений Ломоносов объяснял такие тепловые явления, как теплопроводность, плавление и т. д. Процесс теплопроводности Ломоносов объяснял следующим образом: при соприкосновении нагретого тела с холодным первое охлаждается, а второе нагревается. Это происходит потому, что корпускулы нагретого тела вращаются быстрее, чем корпускулы холодного. При соприкосновении тел движение «быстрых» корпускул будет передаваться корпускулам холодного тела, которые вращаются медленно. В результате передачи своего движения корпускулы горячего тела замедляют движение, и тело охладится, а вращение корпускул холодного тела ускорится, и оно нагреется. Однако доказать это он не смог.
А вот теорию теплорода опровергли различными экспериментами. Например, в 1798 года английский ученый Бенджамин Томсон наблюдал за сверлением каналов в орудийных стволах. Он был поражен выделением большого количества теплоты при этой операции. Усомнившись в существовании теплорода, Румфорд решил поставить ряд специальных опытов. При одном из них в металлической болванке, помещенной под воду, высверливалось отверстие с помощью тупого сверла, приводимого в движение силой двух лошадей. Спустя два с половиной часа вода закипела. Другой опыт провел английских физик и химик Гемфри Дэви в 1799. Его эксперимент состоял в следующем: под колокол воздушного насоса, откуда предварительно был выкачан воздух, помещались два куска льда при температуре 0 С. Оба куска можно было тереть друг о друга при помощи специального часового механизма. При трении лед таял, причем температура получившейся воды оказалась на несколько градусов выше 0 С. С точки зрения теории теплорода этот опыт совсем необъясним, поскольку удельная теплоемкость льда меньше, чем у воды. Отсюда Дэви заключил, что теплота могла появиться только в результате движения.
Таким образом, появилась молекулярно-кинетическая теория, суть которой в следующем:
· Вещество состоит из некоторых частиц, который назвали корпускулами, а позднее, атомами и молекулами.
· Частицы вещества непрерывно хаотически движутся.
· Между частицами вещества существуют силы притяжения и отталкивания.
Как все это доказали? Разными способами, в частности:
· с помощью ионного проектора получают изображения кристаллов, по которым можно представить их строение;
· электронные микроскопы позволили получить изображения, по которым оказалось возможным определение расстояния между отдельными атомами в молекуле;
· газ занимает весь предоставленный ему объем;
· то, что вещество состоит из неких мелких частиц, доказывает также явление диффузии (взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга);
· деформация тел под действием приложенных к ним сил;
· поверхностное натяжение жидкостей.
Немножко подытожим. Мы с вами познакомились с понятием термодинамики, с предметом ее исследования и для чего а наука нужна. Узнали, почему тела могут быть горячими или холодными, познакомились с основами молекулярно-кинетической теории. В будущих уроках вы узнаете законы термодинамики, познакомитесь с понятием термодинамических систем, узнаете о тепловых машинах.
Следующий урок: Физика для чайников. Урок 13. Что такое температура
