Горяєв М.А.
Вчення про теплоту зародилося в 18 столітті. До цього часу поняття температури і теплоти практично не відрізнялися. Роботами вчених 18 століття було розпочато кількісне дослідження теплових явищ. У розробку шкал для вимірювання температури основний внесок внесли німецько-голландський фізик Габріель Даніель Фаренгейт (1686-1736), французький учений Рене Антуан Фершо де Реомюр (1683-1757) і шведський вчений Андерс Цельсій (1701-1744). Голландський фізик Пітер ван Мушенбрек (1692-1761) провів перші дослідження теплового розширення твердих тіл і використовував розширення залізного бруска для вимірювання температури плавлення ряду металів.
Кількісні дослідження змішування води різних температур, проведені російським фізиком Георгом Вільгельмом Ріхманом (1711-1753), вивчення шотландським ученим Джозефом Блеком (1728-1799) процесів плавлення і випаровування та інші роботи в галузі теплових явищ призвели до поділу понять теплоти та температури. Були введені одиниці вимірювання кількості тепла (калорія), поняття теплоємності, теплот плавлення і пароутворення. Для пояснення природи теплоти використовувалися дві теорії: за однією теплота пов'язувалася з рухом частинок, а по іншій розглядалася спеціальна матерія - теплорода. Слід відзначити роботи в цьому напрямку Ломоносова, який був затятим супротивником теорії теплорода.
Ломоносов Михайло Васильович (19.11.1711-15.04.1765) - російський учений-енциклопедист. Народився в с. Денисівка Архангельської губернії в сім'ї селянина. У 1731-35 навчався в Слов'яно-греко-латинської академії в Москві, в 1735-36 - в університеті при Петербурзькій АН, у 1736-41 - за кордоном у Марбурзі і Фрейберзі. З 1742 - адьюнкт, з 1745 - академік Петербурзької АН.
Роботи в галузі фізики, хімії, астрономії, гірничої справи, металургії та ін Експериментально довів (1756) закон збереження речовини, який був остаточно підтверджений А. Лавуазьє в 1774. Представляв природу як єдине ціле, де все взаємопов'язано і не зникає безслідно (закон збереження матерії і руху Ломоносова). Був основоположником впровадження фізичних методів в хімію, розробив конструкції різних приладів (близько 100). Був непримиренним противником невагомих (флюїдів), є одним з основоположників молекулярно-кінетичної теорії теплоти. Нагрівання пов'язував зі зростанням поступального і обертального руху, що виклав у роботі "Роздуми про причину тепла і холоду" (1747-48). Разом з Г. В. Ріхманом проводив дослідження з електрики, використовуючи для цього винайдений Ріхманом "електричний покажчик" - прообраз електрометра. Розробив теорію атмосферної електрики. Сконструював телескоп-рефлектор (ночезрительная труба), за допомогою якої в 1761 спостерігав проходження Венери по диску Сонця і відкрив на ній атмосферу.
Великий внесок Ломоносова у розвиток науки, культури та освіти, він заклав основи природознавства в Росії. У 1755 за його ініціативою і проектом був відкритий Московський університет, що носить тепер його ім'я. АН СРСР заснувала Золоту медаль ім. М. В. Ломоносова.
Ломоносов заклав основи молекулярно-кінетичної теорії, правда, представляючи молекули у вигляді обертових кульок, тому що пружних зіткнень між ними бути за його уявленням не могло. Але перевага в 18 столітті відповідно до поширеної загальної наукової методологією того часу, широко використала уявлення про різні флюїди, віддавалася теорії теплорода, як більш наочної і допускає прості аналогії, а неспроможність її була показана пізніше.
У 19 столітті розвивалося вчення про теплоту, і були сформульовані основні положення термодинаміки і молекулярно-кінетичної теорії. В кінці 18 - початку 19 століття проводилося багато досліджень теплового розширення тіл. Особлива увага зверталася на його рівномірність і був встановлений ряд аномалій для твердих і рідких тіл: анізотропія розширення кристалів, максимум щільності води при 4 С, стиск йодистого срібла при нагріванні від -10 до 70 С та ін Для теплового розширення повітря Вольтою в 1793 р . була встановлена рівномірність розширення, а в 1802 р. французький фізик і хімік Жозеф Луї Гей-Люссак (1778-1850) сформулював на основі власних експериментів і досліджень свого співвітчизника Жака Шарля (1746-1823) закон про те, що всі гази розширюються рівномірно і однаково, і розрахував коефіцієнт розширення. У тому ж 1802 Дальтон сформулював свій закон про парціальних тисках.
Дальтон Джон (06.09.1766-27.07.1844) - англійський хімік і фізик, член Лондонського королівського товариства (1822), Паризької АН. Народився в Іглсфілде в бідній родині. Освіту здобув самостійно. Був учителем математики в Манчестері, з 1799 читав приватні лекції.
Фізичні дослідження в галузі молекулярної фізики: адіабатичне стиснення і розширення, насичений і перегрітий пар, залежність розчинення газів від їх парціального тиску.
Один з основоположників атомістичних уявлень в хімії, відкрив закон кратних відносин, ввів поняття атомної ваги і склав першу таблицю атомних ваг елементів. У 1794 р. провів фізіологічні дослідження, відкрив сліпоту до окремих кольорах (дальтонізм).
Численні роботи привели до висновку про відмінність теплоємностей повітря при постійному обсязі і постійному тиску. На це розходження звернув увагу Лаплас і в 1816 р. він пояснив невідповідність експериментального значення швидкості звуку в повітрі одержуваному з теорії Ньютона зміною температури при чергуються стиску і розрідження повітря.
Лаплас П'єр Симон (28.03.1749-05.03.1827) - французький астроном, фізик і математик, член Паризької (1785) і Петербурзької АН (1802). Народився в Бомон-ан-Оже. Навчався в школі бенедектінцев. З 1771 - професор Військової школи в Парижі, з 1790 - голова Палати мір і ваг.
Основні роботи в області небесної механіки підсумовано у п'ятитомнику "Трактат про небесної механіки" (1798-1825). Зробив майже все, чого не могли зробити його попередники для пояснення руху тіл Сонячної системи на основі закону всесвітнього тяжіння. Запропонував гіпотезу походження Сонячної системи (1796). У небесній механіці бачив зразок остаточної форми наукового пізнання. Лаплассовскій детермінізм став номінальною позначенням механістичної методології класичної фізики.
Фізичні дослідження відносяться до молекулярної фізики, теплоту, акустиці, електрики, оптики. У 1821 встановив закон зміни густини повітря з висотою (барометрична формула). У 1806-07 розробив теорію капілярності, вивів формулу для швидкості звуку в газах з поправкою на адіабатичним. Активно виступав проти теорії флогістону, разом з А. Лаувазье вперше застосував для вимірювання лінійного розширення тел зорову трубу, за допомогою сконструйованого їм крижаного калориметра визначив питомі теплоємності багатьох речовин (1783).
У математиці відомий "оператором Лапласа", "перетворенням Лапласа", "інтегралом Лапласа", "теоремою Лапласа", є одним з творців теорії ймовірностей. Як голова Палати мір і ваг активно впроваджував у життя метричну систему мір. Активно брав участь у реорганізації вищої освіти у Франції, зокрема у створенні Нормальною і Політехнічної шкіл. Брав участь у політичному житті, при всякому перевороті підтримуючи переможців. Активний член Якобінського клубу, при Наполеоні був міністром внутрішніх справ, членом сенату, отримав титул графа. У 1814 проголосував за скинення Наполеона, при реставрації Бурбонів отримав перство і титул маркіза.
Лаплас ввів у формулу Ньютона поправку, відповідну відношенню теплоємностей при постійному тиску і об'ємі, що усунуло невідповідність і послужило основою для експериментального методу визначення цього відношення для всіх газів.
Одночасно в основному зусиллями хіміків розвивалася атомистика. Один з творців її основ Дальтон у 1803 р. сформулював закон кратних відносин і в 1808 р. він опублікував працю "Нова система хімічної філософії", в якому виклав атомістичну теорію. За цією теорією сполуки складаються з атомів (по Демокриту) елементів, які розрізняються по атомній вазі. Шведський хімік Єнсен Якоб Берцеліус (1779-1848) зробив великий внесок у атомістичну теорію і в 1826 р. опублікував таблицю атомних ваг, які в основному збігаються з прийнятими в даний час. Він також запропонував хімічні символи елементів за першими літерами їх латинської назви.
На основі атомних ваг з урахуванням хімічних властивостей елементів Менделєєв зробив саме геніальне відкриття в хімії 19 століття - періодичний закон і склав періодичну таблицю хімічних елементів.
Менделєєв Дмитро Іванович (08.02.1834-2.02.1907) - російський учений, член-кореспондент Петербурзької АН (1876), член багатьох іноземних академій наук і товариств, на його честь названо 101 хімічний елемент - Менделєвій. Народився в Тобольську в родині директора гімназії. Закінчив Головний педагогічний інститут у Петербурзі (1855). У 1857-90 викладав у Петербурзькому університеті (з 1865 - професор). У 1890 покинув університет через конфлікт із міністром освіти. З 1892 - вчений-хоронитель Депо зразкових гир і ваг, що за його ініціативою в 1893 реорганізовано в Головну палату мір і ваг, її керуючий у 1893-1907.
Основні роботи в області хімії, а також фізики, метрології, метеорології та ін Відкрив в 1869 один з фундаментальних законів природи - періодичний закон хімічних елементів і на його основі створив періодичну таблицю. Виправив значення атомних ваг багатьох елементів, передбачив існування і властивості нових, ще не відкритих елементів (галій, германій, скандій) і обчислив приблизно їхні атомні ваги. Наступні відкриття блискуче підтвердили ці прогнози і періодичний закон. Передбачив існування критичної температури (1860), узагальнивши рівняння Клайперона, вивів в 1874 загальне рівняння стану ідеального газу (рівняння Клайперона-Менделєєва). У 1887 здійснив безпілотний політ повітряної кулі для спостереження сонячного затемнення і вивчення верхніх шарів атмосфери. Розробив фізичну теорію ваг, конструкцію коромисла і аретира, точні прийоми зважування. У 1888 висунув ідею підземної газифікації вугілля.
АН СРСР заснувала премію та золоту медаль Менделєєва за кращі роботи з хімії.
У 1808 р. Гей-Люссак експериментально відкрив закон об'ємних відносин, за яким утворюють з'єднання гази займають обсяги щодо кратних цілих чисел. Інтерпретація цього закону в ряді випадків суперечила даним Дальтона, що викликало різкі виступи останнього. Але в 1811 р. італійський хімік Амедео Авагадро (1776-1856) сформулював свій закон про те, що при однакових зовнішніх умовах (температура і тиск) в рівних обсягах газів міститься рівне число частинок. При цьому допускалося, що молекула газу може складатися з декількох атомів, що дозволяло протиріччя між результатами Гей-Люссака і Дальтона.
Успіхи вчення про атомно-молекулярному будову речовини, особливо, газів, безумовно, вплинуло на становлення термодинаміки і молекулярної фізики і сприяло розвитку механічної теорії теплоти.
У другій половині 18 століття панувала теорія теплороду, але вже на початку 19 століття вона стала поступатися своїми позиціями механічної теорії теплоти. Цьому значною мірою сприяли розпочаті ще в 1765 р. Уаттом методичні експериментальні вивчення парової машини, які потім були продовжені широким колом дослідників.
Уатт Джеймс (19.01.1736 - 19.08.1819) - шотландський винахідник, член Единбурзького (1784) і Лондонського (1785) королівських товариств, Паризької АН (1814). Народився в Гріноці. З 1756 р. працював механіком в університеті в Глазго.
Досліджував властивості водяної пари. При детальному вивченні парової машини Ньюкомена ввів багато удосконалень: конденсатор, відцентровий регулятор введення пара, золотник, парову сорочку навколо циліндра, механізм передачі руху від поршня до балансиру та ін У 1784 р. створив універсальний паровий двигун з безперервним обертанням з високою ефективністю, що отримав широке поширення і зіграв велику роль у промисловій революції 19 століття. Ввів першу одиницю потужності - кінську силу. Сконструював ряд приладів: ртутний манометр і вакуумметр, водомірні скло, індикатор тиску. Винайшов індикаторні чорнило, встановив склад води.
Його ім'ям названа одиниця потужності - ват.
Саме в результаті робіт з вирішення практичної проблеми збільшення ефективності парової машини Карно сформулював основні положення термодинаміки про еквівалентність роботи і теплоти (1 початок) та про необхідність холодильника в тепловій машині.
Карно Нікола Леонард Саді (01.04.1796 - 24.08.1832) - французький фізик і інженер. Народився в Парижі в родині видатного воєначальника, політичного діяча і вченого Л. Карно. Закінчив Політехнічну школу (1814). У 1814-19 і 1826-27 - на військовій службі в якості інженера.
Є одним з творців термодинаміки. У 1824 у творі "Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвинути цю силу", виходячи з неможливості створення вічного двигуна, вперше показав, що корисну роботу можна отримати тільки при переході тепла від нагрітого тіла до більш холодного (2 початок термодинаміки) . Тільки різниця температур нагрівача і холодильника обумовлює віддачу теплової машини, а природа робочого тіла не грає ніякої ролі (теорема Карно). Ввів поняття кругового і оборотного процесів, показав переваги застосування в парових машинах пари високого тиску і його багаторазового розширення, сформулював принцип роботи газових теплових машин.
Але ідеї Карно спочатку залишилися майже непоміченими, що пояснюється, перш за все, їх новизною. І лише в 1834 р. французький фізик і інженер Бенуа Поль Еміль Клайперон (1799-1864) звернув увагу на ці роботи, замінив первісний цикл Карно циклом з двох ізотерм і двох адіабати і ввів рівняння стану газу, що об'єднало закони Бойля і Гей-Люссака.
Остаточно ж ідею про еквівалентність роботи і теплоти в 1842-43 р.р. сформулювали німецький лікар Юліус Роберт Майєр (1814-1878) і Джоуль, які також чисельно визначили механічний еквівалент теплоти.
Джоуль Джеймс Прескотт (24.12.1818-11.10.1889) - англійський фізик, член Лондонського королівського товариства (1850). Народився в Солфорде в родині власника пивоварного заводу. Отримав домашню освіту. Перші уроки з фізики йому давав Дальтон, під впливом якого були розпочаті експериментальні дослідження.
Роботи в області електромагнетизму, теплоти, кінетичної теорії газів. Встановив в 1841 залежність тепла, що виділяється від величини проходить струму і опору провідника (закон Джоуля-Ленца). Досліджував теплові явища при стисканні та розширенні газів, показав, що внутрішня енергія ідеального газу не залежить від його обсягу. Спільно з У. Томсоном у 1853-54 відкрив явище охолодження газу при його адіабатичному протіканні через пористу перегородку (ефект Джоуля-Томсона). Побудував термодинамічну температурну шкалу, теоретично визначив теплоємність ряду газів. Обчислив швидкість руху молекул газу і встановив її залежність від температури, тиск вважав результатом ударів частинок газу об стінки посудини. Відкрив явище магнітного насичення (1840) і магнітострикції (1842).
Його ім'ям названа одиниця енергії - джоуль.
У 1847 р. Гельмгольц вводить поняття енергії, яка не знищується, а лише переходить з однієї форми в іншу, тобто сформулював закон збереження енергії у всіх фізичних явищах.
Гельмгольц Герман Людвіг Фердинанд (31.08.1821 - 08.09.1894) - німецький натураліст, член Берлінської (1871), Петербурзької (1868) та інших академій наук і наукових товариств. Медаль Коплі (1873). Народився в Потсдамі в сім'ї викладача гімназії. Навчався у Військово-медичному інституті і університеті в Берліні. У 1842 р. отримав ступінь доктора по фізіології. У 1849-55 - професор фізіології Кенігсберзького, в 1858-71 - Гейдельберзького університетів, в 1871-88 - професор фізики Берлінського університету і з 1888 - президент Фізико-технічного інституту (Берлін-Шарлоттенбург).
Фізичні дослідження в областях електродинаміки, оптики, теплоти, акустики, гідродинаміки. Розробив термодинамічну теорію хімічних процесів, ввівши поняття вільної та зв'язаної енергії. Показав коливальний характер електричних процесів у контурі з індуктивності та конденсатора, розвинув теорію електродинамічних процесів у провідних неправильних тілах, теорію аномальної дисперсії світла.
Істотні успіхи у фізіологічній акустиці і фізіології зору, розробив кількісні методи фізіологічних досліджень, вперше виміряв швидкість поширення нервового збудження.
Заклав основи теорії вихрового руху в гідродинаміці й теорії розривних рухів в аеродинаміці. Розроблений Гельмгольцем принцип механічного подібності пояснив ряд метеорологічних явищ і механізм утворення морських хвиль.
Погляди Гельмгольца стали основою енергетичної школи, для якої на відміну від механістичної концепції світу з поняттями матерія і сила енергія - єдина фізична реальність, а матерія - лише здається її носій.
Засновником механічної теорії теплоти була Клаузіус, що почав в 1850 р. дослідження принципу еквівалентності теплоти і роботи та закону збереження енергії.
Клаузіус Рудольф Юліус Емануель (02.01.1822-24.08.1888) - німецький фізик, член-кореспондент Берлінської АН (1876), член Петербурзької (1878) та інших академій наук і наукових товариств. Народився в Кеслін в сім'ї пастора. Закінчив Берлінський університет, ступінь доктора (1847). Викладав в Королівській артилерійської технічній школі в Берліні. З 1855 викладав у Цюріхському політехнікумі, з 1867 - професор Вюрцберзьких і з 1869 - Боннського університетів.
Роботи в галузі молекулярної фізики, термодинаміки, теоретичної механіки. Математичної фізики. У 1850 незалежно від У. Ранкіна отримав загальне співвідношення між теплотою і роботою (1 початок термодинаміки) і розробив ідеальний термодинамічний цикл парової машини (цикл Ранкіна-Клаузіуса). Дав математичний вираз 2 початку як у випадку оборотних кругових процесів, так і необоротних, показав, що зміна ентропії визначає напрямок протікання процесу. Ввів в кінетичну теорію газів статистичні уявлення, поняття про сферу дії молекул, перший теоретично обчислив тиск газу на стінки посудини. Довів в 1870 теорему Віріа, що зв'язує середню кінетичну енергію системи частинок з діючими на неї силами. Обгрунтував зв'язок температури плавлення речовини з тиском (рівняння Клайперона-Клаузіуса).
Теоретично обгрунтував закон Джоуля-Ленца, розвинув теорію термоелектрики, ввів уявлення про електролітичної дисоціації. Розробив теорію поляризації і незалежно від О. Моссотті вивів співвідношення між діелектричною проникністю та поляризуємістю діелектрика (формула Клаузіуса-Моссотті).
Клаузіус ввів поняття внутрішня енергія і надав 1 початку точну математичну форму, а також переформулював 2 початок термодинаміки: неможливі мимовільний перехід тепла від більш холодного до більш нагрітого тіла. У 1865 р. він ввів нову величину - ентропію, яка зіграла фундаментальну роль в термодинаміці. Ця величина постійна в ідеальних оборотних процесах і зростає для реальних процесів.
Реалізація зв'язку між механічними процесами і тепловими явищами була здійснена в кінетичної теорії газів. Гельмгольц у 1847 р. першим висунув гіпотезу про те, що внутрішня причина взаємоперетворення механічної роботи і теплоти лежить у зведенні теплових явищ до явищ механічного руху. Цей шлях був знайдений в 1856 р. німецьким фізиком Августом Карлом Кренинга (1822-1879), а роком пізніше Клаузіусом, які побудували кінетичну теорію. Було отримано рівняння стану з урахуванням середньої кінетичної енергії молекул і введена зв'язок її з температурою. Кінетичної теорії вдалося пояснити багато явищ: дифузію, розчинення, теплопровідність і ін Облік взаємодії між молекулами і кінцівки їх розмірів дозволив голландському фізику Йоганнеса Дідерик Ван дер Ваальса (1837-1923) в 1873 р. ввести поправки до рівняння ідеального газу і описати поведінку реальних газів.
Формулювання 2 початку термодинаміки не відповідала традиційним механічним уявленням, де всі процеси оборотні. Кінетична теорія робить це невідповідність протиріччям. Ці труднощі були подолані Максвеллом і Больцманом, які ввели поняття ймовірності фізичних явищ і поставили на місце динамічних законів у механіці статистичні закони в термодинаміці.
Максвелл Джеймс Клерк (13.06.1831-05.11.1879) - англійський фізик, член Единбурзького (1855) і Лондонського (1861) королівських товариств. Народився в Едінбургу в сім'ї юриста. Навчався в Единбурзькому (1847-50) і Кембріджському (1850-54) університетах. Після закінчення останнього викладав у Трініті-коледж, в 1856-60 - професор Абердинського університету, в 1860-65 - Лондонського королівського коледжу, з 1871 - перший професор експериментальної фізики в Кембріджі. Під його керівництвом створена Кавендішської лабораторія в Кембриджі.
Роботи в галузі електродинаміки, молекулярної і статистичної фізики, оптики, механіки, теорії пружності. Встановив статистичний закон розподілу молекул газу за швидкостями (розподіл Максвелла), розвинув теорію переносу, застосувавши її до процесів дифузії, теплопровідності та внутрішнього тертя. Створив теорію електромагнітного поля (рівняння Максвелла), ввівши поняття струму зміщення та саме визначення електромагнітного поля. Розвинув ідею електромагнітної природи світла і розкрив зв'язок між оптичними та електромагнітними явищами. Встановив співвідношення між основними теплофізичними параметрами, розвивав теорію кольорового зору. Сконструював ряд приладів.
Вперше (1879) опублікував рукописи робіт Г. Кавендіша, був відомим популяризатором фізичних знань.
Його ім'ям названа одиниця магнітного потоку - Максвелл.
Больцман Людвіг (20.02.1844-05.09.1906) - австрійський фізик, член Австрійської (1895), Петербурзької (1899) та інших академій наук. Народився у Відні в родині службовця. Закінчив Віденський університет (1866). Професор університетів у Граці (1869-73 і 1876-89), Відні (1873-76 і 1894-1900 і з 1903), Мюнхені (1889-94), Лейпцигу (1900-02).
Роботи в галузі кінетичної теорії газів, термодинаміки і теорії випромінювання. Вивів закон розподілу молекул газу за швидкостями (статистика Больцмана). Застосувавши статистичні методи, вивів кінетичне рівняння газів, що є основою фізичної кінетики. Зв'язав ентропію системи з вірогідністю її стану і довів статистичний характер 2 початку термодинаміки. Статистична інтерпретація 2 початку разом з Н-теоремою Больцмана лягли в основу теорії необоротних процесів.
Вперше застосував принципи термодинаміки до випромінювання і теоретично отримав закон теплового випромінювання, який був експериментально встановлений Й. Стефаном. З термодинамічних міркувань підтвердив існування за гіпотезою Д. Максвелла тиску світла.
Безперервні нападки з боку противників кінетичної теорії газів викликали у Больцмана манію переслідування, що, можливо, призвело до самогубства.
Другий закон термодинаміки вже розглядається не як достовірний закон природи, а як імовірний. Тут вперше класична фізика стикається з дуалізмом явищ природи.
Слід сказати, що термодинаміка тільки в самих своїх витоках спиралася на уявлення механічної теорії теплоти. У міру розвитку вона перетворилася в самостійний розділ фізики, методологія і потужний апарат якого став застосовуватися в різних галузях фізики і хімії. Цьому значною мірою сприяли досить загальні уявлення про термодинамічних потенціалах, основний внесок у розвиток яких вніс американський фізик Джозайя Віллард Гіббс (1839-1903). Зокрема, введенням понять вільна енергія і хімічний потенціал він по суті поклав початок нової дисципліни - фізичної хімії та одного з основних її напрямків - термодинаміки хімічних реакцій.