|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Цель популярной книги по физике двоякая. Прежде всего, из нее читатель может узнать нечто для себя новое. В этой книге про температуру собрано много разных фактов, о которых не написано в школьном учебнике. Хотя книга и популярная, а далеко не все, что в ней написано, можно понять до конца, поскольку не обо всем удается хорошо рассказать без математики и без тех разделов физики, которые в школе не изучаются.
Против этого недостатка есть только одно средство. Надо быть оптимистом. Пройдет время, читатель узнает и о статистической физике, и о квантовой механике. Тогда для него все рассказанное станет простым и понятным. На дорогах познания нет объездов; чтобы добраться до вершины, надо преодолеть подъемы и перевалы, какими бы тяжелыми они ни представлялись.
Но и не зная всех деталей, полезно в самом начале путешествия получить какое-то представление о том, где проходит дорога и в какие края она ведет. Именно этому должна помочь популярная книга; в этом и состоит ее вторая и, наверное, более важная цель.
В книге о температуре автор хотел рассказать о том, как возникают физические понятия, как появляются новые методы для измерения физических величин и как развитие физики приводит к тому, что старые, привычные понятия переходят во все новые и новые области физики, о самом существовании которых наши предшественники даже не подозревали.
В наше время физика превратилась в единую науку. Изучая один из разделов физики, мы неминуемо попадаем в другие, самые неожиданные ее области.
История о том, как человек обнаруживает законы природы, как создается величественное здание современного естествознания, — история поучительная и интересная.
Учение о температуре — одна из глав этой истории. Автор благодарен акад. И. К. Кикоину и проф. М. И. Каганову за замечания, которые они сделали при обсуждении рукописи.
Что такое теплота — знают все. Из школьного учебника известно, что частицы в газах, жидкостях и твердых телах находятся в непрерывном движении и что это движение воспринимается как тепло, энергия движения частиц, усредненная по их огромному числу,
определяет температуру.
Все, что касается тепла, изложено в учебнике обычно столь ясно и просто, что этот раздел физики кажется
даже скучным.
Но теория тепла возникла не сразу. Очень долго не могли понять ни что такое тепло, ни какая разница между температурой и теплом. Физика наука сравнительно молодая. Еще 200 лет назад законы природы представлялись как разрозненные правила, выведенные из опыта и почти не связанные между собойЛишь механика могла соперничать с математикой своей строгостью и стройностью. Только в механике умели выводить формулы, с помощью которых можно было аккуратно рассчитывать машины. К механике приближалась по строгости оптика (геометрическая оптика, как мы сейчас ее называем). Остальные сведения о природе были собраны в две науки — физику и химию-
Физики стремились понять, что объединяет разные разделы науки о природе. Одни из них считали, что все явления надо объяснять, опираясь на механику, и что все в природе состоит из мельчайших частиц, атомов, монад, корпускул (как называли такие частицы в разное время). Другие настаивали на том, что первичным в природе являются жидкости и что Вселенная заполнена всепроникающей субстанцией — эфиром. Тепло также считали одной из жидкостей, и теория теплорода была весьма популярной основой учения о тепле.
Многие физики связывали тепло с движением молекул. Так, в частности, думал Ломоносов. Но превратить
общие рассуждения в строгую науку было нелегко. Происходили удивительные вещи, из наивных представлений о теплороде были выведены правильные результаты. Понятие об атомах долго казалось не нужным для теории тепла.
Теперь все это кажется удивительным: как можно развивать науку о тепле, не задавая вопросы о том, что это такое?
Науке о тепле и посвящена эта небольшая книга. Чтобы как-то ограничить себя, автор в качестве темы выбрал температуру. В книге рассказано, как появилось это понятие и как менялся его смысл по мере того, как ученые все лучше и лучше понимали, что же происходит, когда мы нагреваем или охлаждаем тело.
ГРАДУСЫ И ТЕМПЕРАТУРА
История о том, как научились измерять температуру, интересна и необычна. Термометры были придуманы за много лет до того, как люди поняли, что именно они измеряют.
Измеряя углы на небе, расстояния на Земле или даже время, люди знали, что они делают. О температуре же этого сказать было нельзя. Температура связана с весьма неопределенным понятием теплоты и холода, которые располагались в сознании человека где-то рядом с запахом, вкусом. Но запах и вкус почти не измеряли (по крайней мере точно). Никто не спрашивал и никто не пытался определить, во сколько раз одно блюдо вкуснее другого или на сколько запах сена отличается от запаха роз. Теплые и холодные тела, с другой стороны, всегда можно было расположить в один ряд и на ощупь установить, какое из двух теплее.
Человек с незапамятных времен знал, что когда два тела плотно соприкасаются, то между ними устанавливается (как мы сейчас говорим) тепловое равновесие.
Рука, опущенная в воду, оказывается нагретой (или охлажденной) до той же степени, что и вода.
Печь нагревает воздух в комнате. Металлический стержень, нагреваемый с одного конца, нагревается целиком. Всюду в природе существуют потоки тепла. В этом естествоиспытатели давно видели проявление великих законов природы.
О том, что такое потоки тепла, и что такое тепловое равновесие, и что означает степень нагрева тела, были разные мнения.
Античные ученые и схоласты средневековья сопоставляли с теплом и холодом свойства притяжения и отталкивания. Такое определение мало что могло объяснить.
Наверное, древние врачи были первыми, кому понадобилась сравнительная и притом довольно точная шкала теплоты тела. Они очень давно заметили, что здоровье человека как-то связано с теплотой его тела и что лекарства способны изменить это качество. Лекарствам приписывалось охлаждающее или согревающее действие, и степень этого действия определялась градусами (ступенями — по-латыни). Однако холод и тепло не были противоположными качествами: тепло умерялось влажностью, а холод — сухостью. Великий врач древности Гален— он жил во II веке — учил, что лекарства следует классифицировать по градусам: градус тепла, градус холода, градус влажности, градус сухости. Итак, градусов было четыре, и каждый градус еще разбивали на три части.
Лекарства смешивались между собой, и смеси имели разные градусы. «Смесь» по-латыни — «температура» (teniperatura). Правда, Гален не дал численную связь между концентрациями смесей и их градусами. Для этого пытались создавать целые теории, но задача об определении градуса смеси по градусам компонент так и осталась нерешенной.
Таким образом, от древних врачей осталась (хоть и плохо определенная) 12-градусная шкала теплового действия лекарства.
О неопределенных «градусах» тепла нагретого тела говорили и до Галена. Здесь обычно ссылаются на Ге-рона Александрийского, который использовал свойство воздуха расширяться при нагревании. Но настоящая история науки о теплоте началась с Галилея.
ГАЛИЛЕЙ
Никто из современников Галилея не мог сравниться с ним в умении увидеть великие законы в простых явлениях. Все слыхали о том, как много он узнал, размышляя о падении тела на Землю. Но не так хорошо известно, что он был одним из первых (если не первым), кто писал о механической природе тепла. Любопытон повод, который побудил Галилея к таким высказываниям.
Осенью 1618 г. над Римом появились две кометы. Небесные события всегда вселяли страх или надежду. Интерес к науке необычайно возрос. Люди требовали объяснений и прогнозов.
Линче Чезарини пишет из Рима Галилею в декабре этого же года: «Даже ничем не интересующиеся люди встряхнулись, и даже последние лентяи всего города вскакивают со своих постелей, так что Вы можете себе представить, какое возбуждение вызвало появление двух комет и какие глупые разговоры оно породило». Возникла большая дискуссия о природе комет. Со стороны иезуитов выступает Орицио Грасси, с ним спорит ученик Галилея Марко Гвидузи — председатель флорентийской академии. В обоих выступлениях много места занимают рассуждения об общих целях науки. В спор вступает и Галилей, он публикует книгу, названную им «Е1 saggiatore» (весы для взвешивания золота), в которой он очень подробно излагает свои взгляды на природу физических явлений. Эта книга считается одним из шедевров итальянской прозы и до сих пор служит несравненным образцом полемической литературы.
В ней он говорит, в частности, о нагревании твердых тел при трении и приводит другие доказательства механической природы тепла. Однако он не знал, что механическим путем можно нагреть не только твердые тела, но и жидкости или даже газы. Галилею к тому же мешало и отсутствие численных данных о тепле.
Во времена Галилея естествоиспытатели почти ничего не умели измерять. Даже самое простое измерение длины или объема встречало трудности, так как не существовало никаких общепринятых эталонов длины. Меры длины в разных местах были разные, и сравнивать их было хлопотным делом. Измерять время было еще сложнее. Существовали, конечно, в обиходе часы — солнечные, водяные, песочные, но все они совсем не годились для сколько-нибудь точного измерения небольших интервалов времени. Говорят, что юный Галилей смотрел на качающуюся люстру в Пизанском соборе и измерял период ее колебаний, отсчитывая удары собственного пульса. Законы механики могли быть открыты Галилеем только потому, что он один из первых понял, как важно производить точные измерения.
К изучению тепловых явлений Галилей подошел с тех же позиций; прежде всего он занялся тем, как измерить температуру тела.
Термометры, которые делал-Галилей (около 1597 г.), состояли из стеклянного шара D, наполненного воздухом; от нижней части шара отходила трубка, частично заполненная водой, которая заканчивалась в сосуде Л, также наполненном водой (рис. 1).
Когда воздух в шаре расширялся или сжимался, уровень воды в стеклянной трубке изменялся, что и служило указанием на температуру, например, руки, прикоснувшейся к шару.
Однако высота столбика зависела как от температуры, так и от атмосферного давления, и измерять таким термометром сколько-нибудь точно было невозможно. О барометре же во времена Галилея ничего не знали. Только ученик Галилея Торричелли смог установить связь между высотой столбика ртути и атмосферным давлением. При Галилее сама идея, что воздух может давить на землю, казалась достаточно дикой. Поэтому термометр Галилея измерял довольно неопределенную величину, но даже такой термометр позволял сравнивать температуру разных тел в одно и то же время и в одном и том же месте.
Уже тогда с помощью еще несовершенного термометра врач и анатом Санкториус из Падуанского университета качал измерять температуру человеческого тела. Для этого он сам, не зная про Галилея, построил похожий термометр. Искусство изготовления термометров необычайно развилось в Тоскане, где члены флорентийской академии впервые стали систематически измерять давление, влажность и температуру воздуха. Термометры были запаяны, их заполняли не водой, а спиртом, и ими можно было измерять даже тогда, когда вода замерзала. Флорентийские мастера были очень искусны. Они изготовляли стеклянные термометры, нанося на них деления расплавленной эмалью, так что ими можно было измерять температуру с точностью примерно 1° (по нашей шкале).
Термометры флорентийских мастеров (рис. 2) представляли собой очень красивые приборы, почти произведения искусства. Но, как это бывает, после них искусствоизготовления термометров резко упало, Флорентийские академики называли свою академию «Академией опыта». Она была учреждена во Флоренции в 1657 г., но еще в 1636 г. Каспар Энс опубликовал книгу «Математический чудотворец», в которой была глава «О термометре или Дребблевом инструменте, посредством которого исследуется градус тепла или холода, находящегося в воздухе». Сочинение Энса знаменательно тем, что в нем описана 8-градусная температурная шкала и впервые появилось слово «термометр».
Что же касается «Дребблева инструмента», то речь шла о термометрах, изготовленных со-мастеров. отечественником Галилея Корнелием Дреб-блем, который занимался изучением расширения нагретых газов (рис. 3).
История термометра многим обязана одному из удивительнейших людей XVII века — Отто фон Герике. Несмотря на то, что он был бургомистром Магдебурга и часто разъезжал с дипломатическими поручениями в разные города Европы, Герике оставил о себе хорошую память в науке. Его опыт с магдебургскими полушариями, которые не могли разорвать 16 лошадей, вошел
в историю физики. Для того чтобы откачать воздух из полушарий, Герике построил первый вакуумный насос. Он изготовил также первый барометр, похожий на прибор Галилея, но с очень длинной трубкой. В отличие от прибора Галилея, из барометра Герике был откачан воздух, так что вода заполняла не только длинную трубку, но и часть шара. Барометр был прикреплен к наружной стене дома, и давление воздуха отмечалось на шкале, на которую указывал пальцем деревянный человечек, плававший в стеклянном шаре.
Герике первый стал систематически измерять атмосферное давление и попытался обнаружить связь между изменением давления и погодой. Забавно, что Герике называл свою фигурку «вечным двигателем».
Не удивительно, что Герике построил и сравнительно хороший термометр. Он состоял из латунного шара, заполненного воздухом, и изогнутой в форме буквы U трубки со спиртом. Как и в барометре, в термометре Герике температуру указывал деревянный человечек, который с помощью шнура и блока был связан с латунной запаянной коробочкой, плававшей в открытом конце термометра (рис. 4).
Термометр Герике также висел ка стеке его дома. Герике надо было знать температуру воздуха в каких-то абсолютных единицах для того, чтобы можно было сравнивать температуру воздуха в разных местах. Для этой цели на термометре Герике в середине шкалы стояла точка, около которой указатель останавливался при первых заморозках, — эту точку и выбрал Герике за начало шкалы. Ясно, что такой выбор был наивен, но все же Герике сделал первый шаг.
На возможность избрать в качестве опорной точки термометра точку кипения воды указал Гюйгенс в 1655 г. Он прямо писал о том, что при таком выборе можно будет сравнивать температуру («наблюдательную степень теплоты», как ок ее называл) в разных местах, не перенося один и тот же термометр с места на место.
Упомянем еще и работу Ньютона «О шкале степеней тепла и холода», опубликованную в 1701 г., в которой описана 12-градусная шкала. Нуль он поместил там же, где помещаем его сейчас и мы, — в точке замерзания воды, а 12° отвечали температуре здорового человека.
Рис. 4. Термометр и барометр Герике.
Ньютон, таким образом, уже в очень четкой форме говорил о температурной шкале; по-видимому, и другие физики того времени вплотную подошли к этой идее. Но термометр еще не стал физическим инструментом.
Понадобилось немало времени, пока пришли к мысли о постоянных точках на шкале температур. Лишь в 1703 г. Гийом Амонтан, комментируя Ньютона, описал в мемуарах Парижской академии новый термометр. В этом термометре измерялось не увеличение объема
Еоздуха при нагревании, а изменение его давления, д.т я чего воздух запирался столбиком ртути. В новом термометре Амонтан ввел постоянные точки отсчета — точку кипения воды (он не знал еще, что эта температура зависит от давления) и, как это ни удивительно, выбрал в качестве нуля «ту значительную степень холода», при которой воздух теряет всю свою упругость. Свой «абсолютный нуль» он выбрал со значительной ошибкой, поместив его по современной шкале примерно на 240° ниже нуля (но все же это было немалое достижение). К концу своей деятельности Амонтан построил и полностью запаянный термометр, сделав его, наконец, совсем не зависящим от давления атмосферы.
Первый современный термометр был описан в 1724 г. Даниелем Фаренгейтом, стеклодувом из Голландии. Современников удивило, что спиртовые термометры, изготовленные Фаренгейтом, согласовывались между собой. Секрет Фаренгейта был просто в том, что он очень аккуратно наносил деления на шкалу, используя для этого несколько «опорных» постоянных точек. Самую низкую температуру суровой зимы 1709 г. он имитировал смесью льда, поваренной соли и нашатыря. Вторую точку он получал, погружая термометр в смесь льда изводы. Расстояние между этими двумя точками Фаренгейт разделил на 32 части. Свою шкалу он проверял, измеряя темпера-туру человеческого тела. Новая точка попадала ка 98°. Позднее он ввел еще и четвертую «опорную» точку — точку кипения воды. Она лежала при 212°.
Разные термометры Фаренгейта мсжю было сверять друг с другом, сравнивая их показания в разных «опорных» точках шкалы. Поэтому они прославились своей точностью. Такая шкала до сих пор в ходу в Англии и США.
Во Франции в употребление вошла шкала Реомюра (около 1740 г.), построенная на точках замерзания воды (0°) и ее кипения (80°). Реомюр из своих измерений Еьшел, что вода расширяется между этими двумя точками на ?0 тысячных своего объема *). Спирт был Ескоре заменен ртутью (Демоком), коэффициент расширения которой меньше изменялся с температурой, чем у спирта.
Современная шкала Цельсия была предложена в 1742 г. Шведскому физику не нравились отрицательные
*) Правильное значение 84/1000.
температуры, и он счел нужным перевернуть старую шкалу и поместить нуль в точку кипения воды, а 100° — в точку ее замерзания. Но «перевернутая шкала» не приобрела популярности и была очень скоро «перевернута» обратно.
Можно добавить еще несколько слов о термометре со шкалой Делиля. Ртутные термометры петербургского академика Делиля были весьма популярны в России в первой половине XVIII века. Шкала этих термометров была разделена на 150 частей. Термометры были хорошо сделаны, но все же не продержались долго, уступив место термометрам Реомюра.
До революции в России была принята шкала Реомюра — термометры Реомюра висели на улицах и во всех домах. Лишь в тридцатых годах они были вытеснены термометрами Цельсия.
В Англии и США до сих пор распространен термометр Фаренгейта, и, читая английские книги, не следует удивляться, что мясо надо запекать при температуре 350—400° и что температура ребенка 98° не вызывает тревоги у матери.
KOHEЦ ФPAГMEHTA
|
