Маріо Льоцці
Теплове розширення
Експериментальні дослідження теплового розширення в XVIII столітті привели до характерної плутанини понять, що панувала майже до середини XIX століття. Говорили, наприклад, що "ртуть розширюється рівномірно", забуваючи додати, по відношенню до якого еталону визначається це розширення. Між тим у якості мірила неявно передбачалася та ж ртуть, оскільки за рівні інтервали температури приймалися інтервали, що давали рівні значення розширення ртуті. За цих умов твердження про те, що ртуть розширюється рівномірно, позбавлене сенсу, точно так само як немає сенсу і в твердженні, що видимий рух нерухомих зірок "рівномірно", якщо саме цей рух служить для визначення рівних інтервалів часу.
Вже на початку століття деякі досліди Деві показали необхідність прийняття еталонної шкали. Деві сконструював різні термометри - зі ртуттю, зі спиртом, з чистою водою, із солоною водою. Кожен термометр він градуйований за Цельсієм звичайним способом зі звичайними двома постійними точками. Зіставивши показання цих термометрів, він виявив повне їх розбіжність. Так, коли ртутний термометр показував 50 ° С, спиртової показував 43 °, термометр з оливковою олією 49 °, з чистою водою 25,6 °, а з солоною водою 45,37 °.
Точне зіставлення показань ртутного і повітряного термометрів було вироблено в 1815 р. Дюлонга і Пті, які прийшли до висновку, що якщо розширення ртуті вважати рівномірним, то розширення повітря не буде рівномірним, і навпаки. Однак повне вираження ці ідеї отримали лише в знаменитому мемуарі Вільяма Томсона (лорда Кельвіна), опублікованому в 1848 р., де вводиться термодинамічна температурна шкала, яка не залежить від застосовуваного термометричної речовини, чому вона і отримала назву "абсолютної шкали".
Дюлонга і Пті у згаданій роботі вважали, що два ртутних термометра дають завжди узгоджені свідчення. Однак в 1808 р. Анджело Беллані (1776-1852) зміг показати хибність цього припущення, виходячи з досить незначного на перший погляд спостереження, яке виявилося тим не менш досить істотним, оскільки вказало причину багатьох помилок у проведених вимірюваннях температури. Мова йде про усунення нуля в ртутних термометрах, обумовленій зміною з часом ємності скляного кульки.
Вивчення розширення різних сортів скла, проведене Реньо в 1842 р., бере свій початок від іншого фундаментальної праці Дюлонга і Пті (1818 р.) з визначення абсолютного теплового розширення ртуті за допомогою досить дотепного методу двох температур і двох рівнів, до цих пір описуваного в підручниках фізики. Зауважимо до речі, що у зв'язку з цим Дюлонга і Пті винайшли катетометр - точний прилад для визначення різниці рівнів (в барометрах, капілярах і т. д.) між двома точками, не обов'язково знаходяться на одній вертикалі.
Знання абсолютного теплового розширення ртуті дозволило Дюлонга і Пті експериментально дослідити теплове розширення інших рідин і твердих тіл за допомогою методів, описаних у курсах фізики. Дослідники прийшли до спільного висновку, що по відношенню до теплового розширення ртуті теплове розширення інших тіл, твердих і рідких, виявляється нерівномірним, змінюються з температурою і схильним великим аномалій поблизу точок плавлення. З цього випливає, що для кожного твердого або рідкого речовини потрібно визначати значення коефіцієнта теплового розширення теоретично для кожної температури, а практично - для різних інтервалів температур. Звідси випливає зазначена Фрідріхом Вільгельмом Бесселя (1784-1846) необхідність врахування температурної поправки при визначенні питомих ваг і складання таблиці поправок для барометричних відліків. Першою такою таблицею ми зобов'язані Карлу Людвігу Вінклер, що склав її в 1820 р.
В області теплового розширення твердих тіл Ейльгард Мічерліх (1794-1863) в 1825 р. встановив, що всі кристали (за винятком кристалів кубічної системи) розширюються нерівномірно в різних напрямках і, отже, змінюють свою форму із зміною температури. Це явище було підтверджено Френелем і грунтовно досліджено Фізо в численних роботах 1864-1869 рр.., Де він застосовував дуже чутливий метод, заснований на зміні форми кілець Ньютона при зміні товщини шару повітря між двома поверхнями. Одна поверхня досліджуваного тіла робилася злегка опуклою і спиралася на плосковипуклих лінзу; за допомогою оптичної системи спостерігалися утворені відбитими променями кільця Ньютона при висвітленні монохроматичним світлом. При підігріванні картина кілець змінювалася, і це дозволяло визначати зміну товщини повітряного прошарку. Цей метод придатний також для вивчення некристалічних тіл і володіє такою високою точністю, що Міжнародний комітет мір і ваг прийняв його для визначення деформації металевого стержня еталонного метра. За допомогою цього приладу Фізо встановив, що поряд з водою деякі інші речовини (алмаз, смарагд та ін) також мають максимумом густини і що йодисте срібло стискається при нагріванні в інтервалі від -10 ° до +70 ° С.
Ще Академія дослідів встановила, що вода володіє певним максимумом щільності. Це явище заперечувалося Гуком, але приймалося деякими іншими вченими. У 1772 р. ДеЛюка провів систематичне дослідження нерегулярності розширення води і знайшов, що вода має максимальну щільність при температурі 41 ° F і що при зміні температури від 41 до 32 ° F її розширення таке ж, як і при нагріванні від 41 до 50 ° F . Ці експерименти були повторені в 1804 р. Румфорда, в 1805 р. Томасом Хоупом (1766-1844), а потім відтворювалися протягом усього століття. У 1868 р. Франческо Россетті (1833-1881) встановив максимум щільності між 4,04 і 4,07 ° С, в 1892 р. Карл Шеєле (1866-1936) знайшов, що він лежить при 3,960 ° С, а Хаппіус через рік після цього встановив значення 3,98 ° С. Температура в 4 ° С, якій, згідно з усіма підручниками фізики, відповідає максимум щільності води, являє собою округленої і тому кілька умовну величину.
Вплив температури на період коливань маятника, на який ще в 1670 р. вказав Пікар, було в 1726 р. скомпенсировано лондонським виробником хронометрів Джорджем Грехемом (1675-1751) за допомогою відомої системи стрижнів з різних металів, що розрізняються за коефіцієнтом теплового розширення. У 1765 р. Джон Гаррісон (1693-1776) ввів метод компенсації для кишенькових годинників, заснований на тому, що пара пластин з різних металів, накладених одна на іншу і спаяних, при зміні температури вигинається.
З численних застосувань явищ і законів теплового розширення твердих і рідких тіл, що розглядаються в курсах фізики, ми згадали компенсатори маятників тому, що їх ідеєю керувався французький конструктор Абрам Луї Бреге (1747-1823) при створенні свого відомого швидкодіючого біметалічного термометра (1817 р.) , який і зараз надає велику послугу фізики, особливо як реєструючий термометр (термограф).
Теплове розширення газоподібних речовин
Дослідження теплового розширення повітря, проведені Амонтоном, були продовжені багатьма іншими фізиками XVIII століття (Делягіром, Станкарі, Хоксбі, Соссюром, ДеЛюка, Ламбертом, Монжем, Бертола, Вандермонда та ін), але їхні дані знаходилися в обтяжуючому невідповідність один з одним. Одні приходили до висновку, що повітря розширюється рівномірно, інші - що нерівномірно, і на все це накладалася плутанина уявлень, про яку ми говорили на початку попереднього параграфа. Між прихильниками першого твердження розбіжність також було дуже велике, як видно з основоположної роботи Вольти (1793 р.): значення величини розширення при нагріванні на один градус стоградусной шкали, що даються різними експериментаторами, лежали в діапазоні від 1 / 85 у Прістлі до 1 / 235 у Соссюра. Довге заголовок роботи Вольти вказує на важливий висновок, якого дійшов автор: "Про рівномірному розширенні повітря на кожному градусі тепла, починаючи з температури танення льоду і аж до температури кипіння води, і про те, що часто обумовлює уявну нерівномірність розширення, приводячи до збільшення помилок вимірювання об'єму повітря ".
Вольта показав, що розбіжність між експериментальними даними, як припускав ще Станкарі, обумовлено тим, що попередні експериментатори працювали не з сухим повітрям, а з вологим і наявність парів води спотворювало хід явища. Вольта користувався повітряним термометром, причому йому прийшла в голову щаслива думка ізолювати об'єм повітря стовпчиком лляного або оливкової олії, попередньо добре, прокип'яченого. Після численних ретельних експериментів, що супроводжувалися паралельними контрольними дослідами з вологим повітрям, Вольта прийшов до наступного твердження: "При нагріванні на кожен градус термометра Реомюр об'єм повітря збільшується приблизно на 1 / 216 об'єму, займаного повітрям при нулі градусів; таким чином, повітря відчуває однакове збільшення обсягу як на самому початку, поблизу температури танення льоду, так і при наближенні до точки кипіння води ".
Знайдене Вольта значення коефіцієнта розширення одно, таким чином, 1 / 270 = 0,0037037 на градус Цельсія.
Однак робота Вольти була опублікована в "Annali di chimica" - журналі, який мав дуже обмежене поширення, і тому була мало відома в наукових колах, та й сам Вольта не намагався її поширити, мабуть, тому, що в ті роки був поглинений своєю полемікою з Гальвані.
Гей-Люссака (1778-1850) явно не була відома ця робота Вольти, коли в 1802 р. у своїй стала потім класичної роботі він зробив дослідження теплового розширення газів. З історичного введення до цієї статті випливає, що п'ятнадцятьма роками раніше дослідження цього питання були без якої б то не було публікації зроблені Жаком Шарлем (1746-1823). Шарль прославився свого часу тим, що першим підняв у повітря в 1783 р. поблизу Парижа повітряна куля, наповнена воднем (новим газом, відкритим Кавендішем в 1776 р.), а не гарячим повітрям, який застосовували брати Монгольф'є у 1773 р.
Судячи по цій роботі Гей-Люссака, Шарль знайшов, що кисень, азот, вуглекислий газ і повітря розширюються однаково в інтервалі температур між 0 і 100 ° С. Гей-Люссак доповнив і узагальнив роботу Шарля і прийшов до наступного фундаментального твердженням: "Якщо повне збільшення обсягу розділити на кількість градусів, що викликали це збільшення, тобто на 80, то ми отримаємо, приймаючи об'єм при нульовій температурі рівним одиниці, що збільшення обсягу на кожен градус становить 1 / 213, 33, або 1 / 266, 66 на кожен градус стоградусной шкалою ".
По суті тут мова йде про дослідження, що відрізняються від згаданих раніше досліджень Вольти. Вольта показав, що повітря розширюється рівномірно (якщо користуватися ртутної шкалою), тоді як Гей-Люссак довів, що для всіх газів повне розширення в інтервалі температур від 0 до 100 ° С однаково, і, приймаючи, що це розширення відбувається рівномірно, розрахував коефіцієнт розширення для всіх газів. Пізніше Гей-Люссак зауважив, що припущення про рівномірність розширення необгрунтовано, і для його докази провів ще одну серію дослідів. Про ці дослідах і застосовувалася для них апаратурі стало відомо лише після виходу в 1816 р. курсу фізики Біо. Зараз вони описані в усіх підручниках з фізики.
Міжнародний конгрес фізиків, скликаний у Комо в вересні 1927 р. з нагоди століття з дня смерті Вольти, випустив звернення, яке закликає в розділі про розширення газів давати в підручниках фізики формулювання двох законів: закону Вольти про сталість коефіцієнта розширення повітря і закону Гей-Люссака про тому, що коефіцієнт розширення всіх газів однаковий. Однак цю пропозицію, що мало на меті нагадати про заслузі Вольти в цьому питанні, виявилося, мабуть, не дуже життєвим.
Дане Люссаком значення коефіцієнта розширення 1 / 266, 66 = 0,00375 було підтверджено Біо, прийнято Лапласом і протягом 35 років розглядалося як одна з найбільш точно відомих фізичних констант. Але в 1837 р. Фрідріх Рудберг (1800-1839) зробив нове визначення цієї постійної і знайшов для неї менше значення. У зв'язку з цим Магнус, приписавши розбіжність розбіжності застосованих експериментальних методів, повторив досліди Гей-Люссака і отримав значення сталої, що збігається з даними Рудберга. Помилку Гей-Люссака він приписав того, що той (на відміну від Вольти) застосовував для обмеження досліджуваної маси повітря ртуть, яка значно менеепрігодна для газоізоляціі ніж масло.
Але в тому ж, 1841 р., коли Магнус справив свої вимірювання, з'явилася класична робота Реньо, яка дала для коефіцієнта розширення значення 0,0036706, що залишився майже незмінним до наших днів. Досить зіставити зі значенням коефіцієнта Реньо значення, знайдені Вольтою і Люссаком, щоб помітити велику точність значення Вольти, незважаючи на скромні експериментальні засоби, якими він мав у своєму розпорядженні.
Відповідно до вже раніше отриманими Магнусом результатами Реньо встановив (1842 р.), що коефіцієнти розширення газів не в точності постійні. Ті гази, які легко зріджується, мають більший коефіцієнт розширення, причому, як зауважив Деві, він навіть збільшується із зростанням щільності газу. У 1847 р., вводячи поправку в утвердження Дюлонга і Араго, які вважали закон Бойля точним, Реньо, на підставі проведених дослідів з тиском до 30 атм, показав, що при звичайних температурах всі гази (крім водню) стискуються сильніше, а водень стискається слабкіше, ніж того вимагає закон Бойля. Ці висновки, до яких прийшов також Л. Баччеллі в 1812 р., згодом були підтверджені і доповнені іншими фізиками (Шаппюї, Релея, Сачердоте та ін.)
Пари
Починаючи з 1789 р. Вольта, як це видно з його численних невиданих рукописів, понад п'ятнадцять років інтенсивно займався дослідженням поведінки парів, не опублікувавши, проте, жодної закінченої роботи. Про свої дослідження він повідомляв друзям (васала, Ландріані, Маскероні), говорив про них у своїх університетських лекціях, і деколи ці лекції викликали академічні дискусії. Вольта належить досвід, і зараз повторюваний в курсах фізики, з чотирма барометричним трубками, в яких проводиться випаровування води, спирту і ефіру і спостерігається різне тиск в них. Він же встановив, що тиск пари при 0 ° С не дорівнює нулю, тобто що лід випаровується. Вольта вважав, що за даними вимірювань при різних температурах тиску пари в барометричної трубці, зануреної у ванну із змінною температурою, можна сформулювати три закони поведінки парів. Але дуже скоро виявилося, що перші два закони (при збільшенні температури в арифметичній прогресії тиск пари зростає в геометричній прогресії; тиск парів всіх рідин однаково при однаковій відстані від точки кипіння) невірні, третій закон говорив, що тиск пари однаково незалежно від того, яке простір він займає - пусте або ж заповнене повітрям будь-якої щільності.
До цих же висновків прийшов незалежно Джон Дальтон (1766-1844) у своїй роботі, опублікованій в 1802 р. Зі згаданого вище третього закону, нині званого законом Дальтона, він, повторюючи раніше наведені міркування Вольти, прийшов до висновку, що ніяка теорія (в той час вони були дуже в моді) не може пояснити випаровування як хімічне явище, тобто як з'єднання води з повітрям.
У 1816 р. Гей-Люссак поширив закон Дальтона на випадок суміші парів. Однак в 1836 р. Магнус показав, що закон Дальтона вірна лише для парів не змішуються, рідин (наприклад, вода і масло). Якщо ж рідини змішуються (наприклад, ефір і спирт), то для таких парів повний тиск суміші парів менше суми тисків компонент. Цей результат був потім підтверджений і розвинений Реньо.
Дедалі більшого поширення парової машини викликало особливий інтерес до досліджень тиску водяної пари при високих температурах. Вже в 1813 р. Йоганн Арцбергер (1778-1835) справив досить грубі вимірювання для тисків до 8 атм. У 1829 р. Дюлонга і Араго за дорученням Паризької Академії наук приступили до систематичного вимірюванню тиску водяної пари і досягли 24 атм. Їх дані, як і дані їх попередників, не були абсолютно точними, оскільки в досвіді недостатньо гарантувалася однаковість температури всієї маси газу, так що виміряний тиск чинився відповідає тиску в найхолоднішій області згідно з "принципом холодної стінки", приписуваному часто Уатту, але в дійсності сформульованому Фонтану (1730-1805) в 1779 р.
Перші ретельні вимірювання були виконані в 1844 р. німецьким фізиком Ернестом Густавом Магнусом (1802-1870). Він застосовував ізольований трьома шарами повітря калориметр, в який вводилися U-образні трубки з газом і повітряний термометр. Але найбільш фундаментальне дослідження, виконане новими методами і з великою майстерністю, було проведено Анрі Віктором Реньо (1810-1878) і описане в його знаменитій роботі "Повідомлення про досліди, зроблених за розпорядженням міністра громадських робіт і за пропозицією Центральної комісії парових машин, з метою визначення основних законів та чисельних величин, застосовуваних при розрахунку парових машин ", Париж, 1847. У цьому великому працю Реньо ввів поправки в результати Дюлонга і Араго і знайшов значення тиску водяної пари при температурах від -32 до 100 ° С і від 110 до 232 ° С.
Тепловим вимірам, що становлять інтерес для практики, Реньо присвятив все життя. Застосовуючи нові методи, що забезпечують раніше недосяжну точність, він повторював досліди попередніх вчених. Його гідні захоплення ретельність і мистецтво експериментатора дозволили отримати результати, які й зараз, через століття, відносяться до розряду найбільш надійних. Крім сказаного, слід нагадати про дослідження Реньо по тепловому розширенню твердих і рідких тіл, стисливості води, визначення питомих теплоємностей тіл, вимірювання швидкості звуку в газах і термоелектрики. Існує думка, що Реньо не вистачало того творчого духу, який відкриває нові шляхи у фізиці, однак внесений ним внесок у техніку експерименту і прикладну фізику склав цілу епоху.
Скраплення газів
Досвідчений факт охолодження речовини при випаровуванні був відомий здавна і навіть практично використовувався (наприклад, застосування пористих судин для збереження свіжості води). Але перше наукове дослідження цього питання зробив Джан Франческо Чінья і описав в роботі 1760 "De frigore ex evaporationе" ("Про холоді внаслідок випаровування").
Чінья довів, що чим швидше відбувається випаровування, тим інтенсивніше охолодження, а Меран показав, що якщо дути на вологий кулька термометра, зниження температури виявиться більше, ніж при такому ж досліді з сухим кулькою термометра. Антуан Боме (1728-1804) виявив, що при випаровуванні сірчаного ефіру охолодження відбувається сильніше, ніж при випаровуванні води. Грунтуючись на цих фактах, Тіберіо Кавалло створив в 1800 р. холодильну машину, а Волластон побудував в 1810 р. свій відомий кріофор, застосовуваний і в наш час. На основі цього приладу в 1820 р. був створений гігрометр Даніеля. Холодильна машина стала практично застосовувану лише після 1859 р., тобто після того, як Фернан Карре (1824 - 1894) опублікував свій метод отримання льоду за допомогою випаровування ефіру, згодом заміненого аміаком. У 1871 р. Карл Лінде (1842-1934) описав створену ним холодильну машину, в якій охолодження досягається за рахунок розширення газу. У 1896 р. він скомбінував цю машину з протиточним теплообмінником, описуваних в курсах фізики, і це дозволило йому отримати рідкий водень. Досягнуті до того часу фізиками експериментальні результати почали впроваджуватися в промисловість.
Проблема скраплення газів має столітню історію, що бере свій початок у другій половині XVIII століття. Почалося все з зрідження аміаку простим охолодженням, яке справив ван Марум, сірчаного ангідриду - Монж і Клуе, хлору - Нортмор (1805 р.) та зрідження аміаку компресійним методом, запропонованим Баччеллі (1812 р.).
Визначальний внесок у вирішення цієї проблеми одночасно і незалежно внесли Шарль Каньяр де Латур (1777-1859) і Майкл Фарадей (1791-1867).
У серії робіт, опублікованих у 1822 і 1823 рр.., Каньяр де Латур описав досліди, проведені ним для визначення існування для рідини (як це відчувається інтуїтивно) деякого граничного розширення, далі якого незалежно від прикладеної тиску вся вона переходить в пароподібний стан. З цією метою де Латур поклав у котел, заповнений на одну третину спиртом, кам'яну кулю і почав поступово розігрівати котел. По шуму, виробленому кулею, повертаються всередину котла, де Латур прийшов до висновку, що при певній температурі весь спирт випарувався. Досліди були повторені з невеликими трубками; з трубок віддалявся повітря, а потім вони заповнювалися на 2 / 5 досліджуваною рідиною (спирт, ефір, бензин) і нагрівалися в полум'ї. У міру збільшення температури рідина ставала все більш рухомий, а межа розділу рідини і пара все більш нечіткою, поки при певній температурі зовсім не зникала і вся рідина здавалася перетворилася на пару. Поєднавши ці трубки з манометром зі стисненим повітрям, Каньяр де Латур зумів виміряти тиск, встановлюється, у трубці в момент, коли зникає межа розділу між рідиною і парою, і відповідну температуру. Всупереч існуючій поданням Каньяр де Латур не тільки не визначив у цих дослідах критичну температуру для води, йому не вдалося навіть повністю випарувати воду, тому що трубки завжди лопалися раніше, ніж досягався бажаний ефект.
Більш конкретний результат містили досліди Фарадея, проведені в 1823 р. з загнутими скляними трубками, більш довге плече, яких було запаяна. У це плече Фарадей поміщав речовина, яка при нагріванні повинне було давати досліджуваний газ, потім закривав друге, коротке плече трубки і занурював трубку в охолоджуючу суміш. Якщо, виконавши це, нагрівати речовину в довгому плечі трубки, то утворюється газ, тиск якого поступово збільшується, причому в багатьох випадках у короткій трубці у Фарадея відбувалося скраплення газу. Так, нагріваючи бікарбонат натрію, Фарадей отримав рідку вуглекислоту; таким же способом він отримував рідкий сірководень, хлористий водень, сірчаний ангідрид та ін
Досліди де Латура і Фарадея показали, що можна добитися скраплення газу, піддаючи його високому тиску. У цьому напрямку почали працювати багато фізиків, зокрема Йоганн Наттерер (1821-1901). Однак деякі гази (водень, кисень, азот) скраплений таким шляхом не вдавалося. У 1850 р. Вертіл піддав кисень тиску в 780 атм, але не зміг домогтися скраплення. Це змусило Вертіл приєднатися до думки Фарадея, який, упевнений, що рано чи пізно вдасться отримати твердий водень, вважав, що одного тиску недостатньо для скраплення деяких газів, прозваних тоді "перманентними" або "неприборканими".
У тому ж 1845 р., коли Фарадей висловив це міркування, Реньо, зауваживши, що при низькій температурі вуглекислий газ володіє аномальної стискуваністю, а при наближенні до 100 ° С починає діяти за законом Бой-ля, висунув припущення, що для кожного газу існує якась область температур, де він підкоряється закону Бойля. У 1860 р. цю ідею Реньо розвинув і модифікував Дмитро Іванович Менделєєв (1834-1907), згідно з яким для всіх рідин повинна існувати "абсолютна температура кипіння", вище за яку вона може існувати лише в газоподібному стані, яке б не був тиск.
Дослідження цього питання було відновлено в 1863 р. у новій формі Томасом Ендрюсом (1813-1885). У 1863 р. Ендрюс ввів в капілярну трубку вуглекислий газ, замкнувши обсяг газу стовпчиком ртуті. За допомогою гвинта він довільно встановлював тиск, під яким знаходився газ, одночасно змінюючи поступово температуру. Домігшись за допомогою одного лише збільшення тиску часткового скраплення газу і потім повільно нагріваючи трубку, Ендрюс спостерігав ті ж явища, які за 30 років до нього досліджував Каньяр де Латур. Коли температура вуглекислоти досягала 30,92 ° С, межа розділу між рідиною і газом зникала і ніяким тиском не можна було вже отримати назад рідку вуглекислоту. У своїй грунтовній роботі 1869 Ендрюс запропонував назвати температуру 30,92 ° С "критичною точкою" для вуглекислоти. Таким же методом він визначив критичні точки для хлористого водню, аміаку, сірчаного ефіру, окису азоту. Термін "пар" він запропонував зберегти для газоподібних речовин, що знаходяться при температурі нижче критичної точки, а термін "газ" застосовувати до речовин, що знаходиться при температурі вище критичної точки. Підтвердженням цієї точки зору Ендрюса були згадані вже досліди Наттерера, проведені ним з 1844 по 1855 р., в яких перманентні гази піддавалися тиску до 2790 атм, так і не скраплений, і численні аналогічні досліди, розпочаті в 1870 р. Емілем Амага (1841 - 1915), в яких досягалося тиск до 3000 атм.
Всі ці негативні результати дослідів підтверджували гіпотезу Ендрюса про те, що перманентні гази - це речовини, для яких критична температура нижче досягнутих в той момент значень, так що їх зріджування можна було б здійснити за допомогою попереднього глибокого охолодження, можливо з подальшим стисненням. Ця гіпотеза була блискуче підтверджена в 1877 р. Луї Кальете (1832-1913) і Раулем Пикте (1846-1929), яким незалежно один від одного вдалося після попереднього сильного охолодження домогтися зрідження кисню, водню, азоту, повітря. Роботи Кальете і Пикте були продовжені іншими фізиками, але лише поява холодильної машини Лінде, про яку ми вже згадували, зробило методи скраплення практично доступними, дозволивши отримувати зріджені гази у великих кількостях і широко застосовувати їх при наукових дослідженнях і в промисловості.
Питома теплоємність газів
Методи визначення питомої теплоємності важко було застосувати до газоподібним речовин внаслідок малого питомої ваги газів і парів. Тому на початку XIX століття Паризька Академія наук оголосила конкурс на кращий метод вимірювання питомої теплоємності газу. Премія була присуджена Франсуа Делароша (? - 1813?) І Жаку Берар (1789-1869), який запропонував помістити в калориметр змійовик, по якому при відомій температурі проходив би газ при фіксованому тиску. Цей метод фактично не був новим, він був запропонований ще за 20 років до того Лавуазьє. Як би там не було, результати, отримані Делароша і Берар, наводилися в курсах фізики протягом півстоліття. Заслуга цих учених полягає насамперед у тому, що було привернуто увагу до необхідності розрізняти питомі теплоємності при постійному тиску і при постійному обсязі. Остання величина дуже важко піддається вимірюванню через малої величини теплоємності газу в порівнянні з теплоємністю містить його резервуару.
Але за кілька років до появи робіт Делароша і Берар почалося дослідження цікавого явища, зазначеного Еразмом Дарвіном (1731-1802) в 1788 р., а потім в 1802 р. Дальтоном і полягає в тому, що стиснення повітря викликає його розігрів, а розширення призводить до охолодження. Початком дослідження цього явища зазвичай вважають досвід Гей-Люссака (1807 р.), повторений Джоулем в 1845 р. Гей-Люссак поєднав трубкою два балони, подібно до того як це робив Геріке; один із балонів був наповнений повітрям, а другий порожній; із наповненого балона повітря могло вільно перетікати в порожній. У результаті було встановлено зниження температури першого балона і підвищення температури другого. Таке теплове поведінка повітря змушувало вважати, що питома теплоємність при постійному тиску повинна бути більше, ніж при постійному обсязі, який би теорії природи тепла ми не дотримувалися. Дійсно, якщо, розширюючись, газ охолоджується, то, дозволяючи йому при нагріванні розширюватися, необхідно повідомити йому додаткове тепло, щоб компенсувати супутнє розширенню охолодження.
Виходячи з цих експериментальних фактів, Лаплас в 1816 р. прийшов до геніальної ідеї про те, що відоме невідповідність між значенням швидкості звуку, що виходять з досвіду, і його теоретичним значенням, що виходять із закону Ньютона, можна пояснити зміною температури, яке відчувають шари повітря при чергуються стиску і розрідження. На основі цих теоретичних передумов Лаплас виправив формулу Ньютона, ввівши в неї коефіцієнт, рівний відношенню питомих теплоємностей при постійному тиску і при постійному обсязі для повітря. Зіставлення експериментального значення швидкості звуку в повітрі і теоретичного значення, що виходить за формулою Ньютона, дозволило знайти відношення питомих теплоємностей. Таким непрямим шляхом фізикам вдалося отримати перші дані про значення цього відношення і тим самим, оскільки значення питомої теплоємності при постійному тиску було відомо, оцінити питому теплоємність повітря при постійному обсязі. Кількома роками пізніше (1819 р.) Нікола Клеманом (1779-1841) і Шарлю Дезорму (1777 -?) Вдалося в дослідах з розширення газів, що багаторазово повторюються, іншими вченими аж до наших днів і що увійшли до всіх підручників з фізики, безпосередньо визначити ставлення теплоємностей , яка в межах експериментальних помилок збіглося зі знайденим Лапласом.
У 1829 р. в результаті тонких і кропітких досліджень Дюлонга визначив відношення теплоємностей для різних газів, для чого викликав звук у трубці з допомогою потоків різних газів. Ці експерименти змусили його прийти до висновку, що в газах і парах при рівних умовах (обсяг, тиск, температура) утворюється при однаковому відносному стиску або розширенні однакову кількість теплоти.
Тут зауважимо, що метод Дюлонга був істотно покращено у 1866 р. Кундтом (1839-1894), який ввів спеціальну трубку (ця трубка називається тепер трубкою Кундта). Метод Кундта до цих пір вважається одним з кращих методів визначення ставлення питомих теплоємностей.
Укладач к.т.н. Савельєва Ф.