Страницы истории науки и техники
Шрифт:
Из сказанного следует, что тепловая энергия является, по существу дела, частным, хотя и особенным случаем механической энергии. Такое понимание существа тепловой энергии укрепило представление о законах механики как об универсальных, всеобъемлющих законах, к которым могут быть сведены все явления природы.
Важное открытие, подтвердившее на основе опытных наблюдений справедливость кинетической теории, было сделано в 1827 г. английским ботаником, почетным членом Петербургской Академии наук Робертом Броуном (1773–1858). Это открытие получило широкую известность под названием броуновского движения. Броун проводил опыты с очень мелкими (порядка микрометра) частицами пыльцы растений, находящимися во взвешенном состоянии в воде. Он наблюдал за этими частицами через микроскоп и установил, что они находятся в непрерывном хаотическом движении. Опыт показал, что это движение усиливалось с ростом температуры воды и, наоборот, ослаблялось с ее понижением. Анализ наблюдений броуновского движения привел к выводу, что причиной его возникновения является непрерывная бомбардировка мелких взвешенных в воде частиц еще
Итак, форм энергии много, все они могут в совершенно определенных, раз установленных количествах превращаться друг в друга. Закон сохранения энергии фиксирует, что в замкнутой системе сумма всех видов энергии остается неизменной. И все-таки есть один вид энергии, который существенно отличается от всех других. Это тепловая энергия. Особенность тепловой энергий может быть сформулирована очень просто: любой вид энергии может быть легко превращен во все другие виды энергии, в том числе и в тепловую. Хорошо известный, можно сказать вездесущий, процесс трения есть не что иное, как превращение в тепловую энергию других видов энергии. Тепловая же энергия в другие виды энергии превращается с известными ограничениями и всегда не полностью.
Особенность тепловой энергии состоит в том, что она является энергией неупорядоченного, хаотического движения мельчайших частиц тела, в то время как все другие виды энергии — результат упорядоченного движения. Порядок всегда проще превратить в хаос, упорядочить же хаос гораздо труднее.
Изучением тепловых свойств веществ занимались и занимаются две различные по своим методам науки: термодинамика и статистическая физика.
Термодинамический метод изучения макроскопических свойств системы (макроскопические свойства системы можно непосредственно измерить, например давление, температуру, удельный объем, в отличие от микроскопических свойств, присущих микроэлементам системы — молекулам, атомам и др., прежде всего их координат и импульсов), строится на знании небольшого числа законов, начал, установленных опытным путем. Термодинамика конкретно строится на трех началах: первое начало — закон сохранения энергии, написанный в виде, удобном для определения механической работы, полученной из тепла, второе начало — закон, имеющий большое число различных формулировок, из которых, пожалуй, наибольшее употребление имеют две: 1) невозможен переход теплоты от тела менее нагретого к телу более нагретому без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р. Клаузиус) и 2) невозможно создать периодически действующую машину, не совершающую ничего иного, кроме поднятия груза и охлаждения резервуара тепла (М. Планк); третье начало (теорема В. Нернста): при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры, равной абсолютному нулю.
Достоинством и в то же время недостатком термодинамического метода является его независимость от принятого взгляда на строение вещества. С помощью термодинамического метода можно решать многие важные задачи, вовсе не касаясь вопросов строения вещества.
Приводим слова А. Эйнштейна о термодинамике: «Теория производит тем большее впечатление, чем проще ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает, и чем шире область ее применения. Отсюда глубокое впечатление, которое произвела на меня классическая термодинамика. Это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута (к особому сведению принципиальных скептиков)» [297] .
297
Цит. по: Кириллин В. Л., Сычев В. В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика, 3-е изд. М., 1979, с. 502.
Статистическая физика, или статистическая механика, наоборот, основана на определенных представлениях о строении вещества. Другими словами, в ее задачу входит установление зависимости между микроскопическими характеристиками системы (масса, импульс, координаты составляющих систему частиц) и ее макроскопическими параметрами (давление, температура, удельный объем и др.). На первый взгляд кажется, особенно учитывая огромное, фантастически большое число микрочастиц в системе, что поставленная задача нерешима. Действительно, в одном моле вещества (напоминаем, 1 моль вещества — это количество граммов вещества, равное его молекулярному весу, например 12 г 12С) содержится, как известно, 6,022 · 1023 молекул.
Тем не менее эту трудную задачу решить удалось. Статистическая физика, рассматривая вещество как совокупность огромного числа микрочастиц и используя законы теории вероятностей тем более точные, чем на большее число объектов (в данном случае молекул, атомов) они распространяются, дала возможность составить обоснованное представление о существе тепловой энергии и тепловых процессов и решить многие важные задачи.
Это было достигнуто большим числом выдающихся ученых, среди которых в первую очередь необходимо назвать: французского физика и инженера, одного из основателей термодинамики, Никола Леонара Сади Карно (1796–1832), высказавшего впервые существо второго начала-, французского физика и инженера Бенуа Поля Клапейрона (1799–1864), который, исходя из идей Карно, дал геометрическую интерпретацию термодинамических циклов, ввел уравнение, связывающее параметры идеального газа и носящее его имя; немецкого физика Рудольфа Юлиуса Эмануэля Клаузиуса (1822–1888), одного из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории теплоты, давшего одновременно с У. Томсоном первую формулировку второго начала, введшего понятие энтропии, дифференциал которой в равновесном процессе
dS = dQ/T
(где dQ, ккал — подводимое тепло и Т, К — абсолютная температура), а в неравновесном процессе [298]
dS > dQ/T
английского физика президента Лондонского королевского общества (1890–1895 гг.), почетного члена Петербургской Академии наук Уильяма Томсона (1824–1907), получившего за научные заслуги титул лорда Кельвина, давшего, как уже сказано, одну из формулировок второго начала, предложившего абсолютную шкалу температур, носящую его имя (шкала Кельвина, градусы К); английского физика, создателя классической электродинамики (об этой, вероятно главной, стороне его научной деятельности речь еще будет идти ниже), одного из основателей статистической физики, Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879), установившего статистическое распределение частиц газового континуума по энергиям (но скоростям) (рис. 36); американского физика-теоретика, одного из создателей термодинамики и статистической механики, Джозайи Уилларда Гиббса (1839–1903), разработавшего теорию термодинамических потенциалов, установившего общее условие равновесия гетерогенных систем, именуемого правилом фаз Гиббса, определившего фундаментальный закон статистической физики — каноническое распределение вероятностей различных состояний макроскопической системы; австрийского физика, одного из основателей статистической физики и физической кинетики, Людвига Больцмана (1844–1906), давшего уравнение, носящее его имя, согласно которому между энтропией S и термодинамической вероятностью W состояния вещества существует зависимость
298
Статистическая физика рассматривает энтропию как меру вероятности пребывания системы в данном состоянии. В состоянии равновесия энтропия системы максимальна. Понятие энтропии широко используется в физике, химии, биологии.
S = k lnW
(где k — постоянная Больцмана, а термодинамическая вероятность состояния вещества W — сумма всех возможных микросостояний, реализующих данное макросостояние; значение W всегда очень велико, отнюдь не правильная дробь), указывающая на то, что природные самопроизвольные процессы направлены в сторону возрастающих термодинамических вероятностей, т. е. в сторону максимальных значений энтропии; немецкого физикохимика, одного из основоположников современной физической химии, иностранного почетного члена Академии наук СССР, Вальтера Нернста (1864–1941), сформулировавшего третье начало термодинамики, о чем говорилось выше, выполнившего ряд выдающихся работ по теории растворов, электрохимии, кинетике и катализу, отмеченных Нобелевской премией (1920 г.).
Рис. 36. График максвелловского распределения молекул газа по скоростям.
К перечисленным именам знаменитых ученых, сделавших огромный вклад в создание термодинамики и статистической физики, можно было бы добавить немало других.
Огромные успехи механики, разработка на ее основе теории тепловых явлений привели к тому, что в конце XIX в. ученые естественных наук в своем большинстве склонялись к точке зрения, что физическая картина мира в основном создана. Известный английский физик Уильям Томсон считал, что человеку известно, как устроен мир и должны уточняться лишь детали. Правда, Томсон указывал некоторые явления, которые не укладывались в тогдашнюю картину мира: постоянство скорости света, не зависящей от скорости его источника, и «ультрафиолетовая катастрофа» [299] . Он назвал их тучками на общем светлом горизонте.
299
Это явление, грубо говоря, заключалось в том, что классические законы теплового излучения но соответствовали некоторым экспериментам.
В истории науки, вероятно, не так часты случаи, когда столь квалифицированный и информированный ученый оказался бы так далек от истины в прогнозе основ развития науки. Дело в том, что первая «тучка» превратилась в теорию относительности, а вторая — в квантовую теорию. Но тогда точку зрения Томсона разделяли многие.
Но в науке не существует «вечных» теорий. Это можно прекрасно видеть на примере «универсальной» механики. Рано или поздно производится такой эксперимент, который заставляет отказаться от старой теории или изменить ее существенным образом. Таким было, например, наблюдение Румфорда за сверлением пушки для теории теплорода. За несколько десятилетий XX в. физические воззрения изменились коренным образом. Вряд ли теперь можно найти хотя бы одного физика, который думал бы, что все проблемы физики можно решить с помощью уравнений механики. Да и сама мысль о том, что создана теория на все времена, показалась бы ужасной, догматической, нереальной. Это была бы уже религия, а не наука.