История науки
..pdf
там. Окно в пластинке должно быть достаточно малым, чтобы возникала за метная дифракция. Дифракционная картинка наблюдается в микроскоп.
Функция, описывающая дифракционную картинку и соответственно спектр процесса, находится интегральным преобразованием Фурье.
Преобразование Фурье дает представление о двух сторонах одной и той же сущности и в этом смысле имеет определенное философское значение. Еди ный физический процесс, например изменение солнечной активности, мо жет быть выражен математически двумя способами: в виде функции измене ния процесса во времени и в виде функции изменения (распределения) про цесса по частотам. Любые изменения процесса адекватно отразятся и в той, и в другой области — и во временной, и в спектральной (частотной).
По существующей гипотезе вся информация о Вселенной записана в так называемом информационном поле. Эта информация организована не по средством параметров пространства и времени (в нашем примере как фун кция S(x)), а в виде преобразования Фурье этой пространственно-времен ной функции, то есть в форме спектра. Человеческое сознание, если оно проникает в информационное поле, производит обратное преобразование Фурье, чтобы представить информацию в привычной форме. На этом прин ципе основана голографическая модель информационного поля Вселенной, на которой мы остановимся в последнем разделе книги.
2. Тепловые явления
2.1.Температура и температурные шкалы
Вначале XVIII в. для измерения степени нагретости тел при проведении опы тов использовались знаменитые «флорентийские термометры», представляв шие собой улучшенный Торричелли вариант термоскопа Галилея. В 1702 г. Гийом Амонтон (1663—1703) применил конструкцию воздушного термометра (см. схему). Термометр Амонтона представлял собой стеклянную U-образную
Рис. 2.3. Воздушный термометр Амонтона
трубку, состоящую из короткого и длинного колен. Короткое колено заканчивалось резервуаром, в длинное колено наливалась ртуть. Температура оп ределялась по высоте столба ртути в длинном ко лене. Исходя из принципа действия воздушного термометра, Амонтон сделал важнейший вывод о существовании абсолютного нуля температуры. По его представлению, объем воздуха в резервуаре при абсолютном нуле станет равным нулю. Термометр Амонтона не давал единообразной температурной шкалы, построение которой возможно лишь тогда, когда указываются постоянные температурные точки, являющиеся началом отсчета.
Впервые температурную шкалу построил не мецкий стеклодув Габриэль Даниэль Фаренгейт
(1686—1736). Эта шкала используется в США и в настоящее время. За 0° Фаренгейт принял темпе ратуру смеси воды, льда и поваренной соли или нашатырного спирта. Тогда температура таяния чистого льда оказалась 32°F, а температура чело веческого тела 96°F. Температура точки таяния льда использовалась для сверки термометров. В своих термометрах Фаренгейт применял спирт или ртуть.
Французский инженер Рене Антуан Фершо де Реомюр (1683—1757) разработал другую темпера-
ратуры плавления. После достижения этой температуры требуется еще какоето количество тепла, а именно на каждую единицу веса льда необходимо до бавить единицу веса воды при температуре 172°F. Отсюда Блэк делает вывод, что существует некоторая субстанция, агент которой вызывает изменение со стояния тела. Этот агент был назван им теплородом. Блэк показал, что теп лород необходим и для испарения. Результаты исследований Блэка не были опубликованы при его жизни, однако он излагал их в своих лекциях по хи мии, и поэтому они становились известными в научных кругах.
Из опытов Рихмана и Блэка следовало, что термометр не измеряет ко личество тепла («теплорода»).
2.3.
Закон сохранения и превращения энергии
Впервые единицу тепла ввел шведский академик И.К. Вилъке (1732—1796). За единицу тепла он принял количество теплоты, соответствующее измене нию температуры единицы веса воды на ГС. Это определение соответству ет современному понятию калории. Сопоставляя способность тел поглощать или выделять тепло со свойствами воды как эталона, Вильке нашел удель ные теплоемкости многих тел.
Прибор для измерения количества тепла был сконструирован великим французским химиком и физиком Антуаном Лораном Лавуазье (1743-1794), положившим начало строгому научному методу в химии. Лавуазье уяснил единую сущность горения, дыхания и гниения как процесса окисления и на основании точных количественных исследований вывел закон сохранения материи, являющийся одним из фундаментальных законов естествознания.
В русле этих исследований был создан калориметр. Этот прибор состоит из трех резервуаров: во внутреннем помещалось нагретое тело, в промежу точном — лед, в наружном — вода или лед, обеспечивающие постоянную температуру в промежуточном резервуаре. По количеству воды, вытекшей из промежуточного резервуара, определилась удельная теплоемкость тел.
Весьма каверзным для сторонников теории теплорода был вопрос о про исхождении теплоты при трении, ведь теплород по определению является неуничтожимым веществом и не может возникать вдруг.
Теория теплорода серьезно пошатнулась после опытов Бенджамина Томп сона (1753-1814) и Хемфри Дэви (1778-1829).
Б. Томпсон (граф Румфорд), служивший военным министром в Баварии, заметил, что пушечный ствол при стрельбе холостыми зарядами нагревает ся сильнее, чем при стрельбе снарядами. Это никак не могло быть объясне но теорией теплорода. В 1798 г. Б. Томпсон поставил весьма эффектный эк сперимент, опровергнувший представления о том, что при трении теплород переходит из воздуха в трущиеся тела. Он поместил орудийный ствол в ящик с водой и начал высверливать канал ствола тупым сверлом. Через два часа вода закипела.
дущих ученых. После публикаций Джоуля и Гельмгольца по этой проблеме Майеру пришлось доказывать свой приоритет. Последовали насмешки, травля. Ученый делает попытки покончить жизнь самоубийством, выбро сившись из окна. Родственники помещают Майера в лечебницу для душев нобольных. Ученый сломлен. После выхода из больницы он остается в оди ночестве и не возвращается к научной деятельности. Лишь в конце жизни Майера его труды начинают получать признание.
В установлении закона сохранения и превращения энергии важнейшее значение имеют экспериментальные исследования, доказывающие возмож ность и эквивалентность превращения одного вида энергии в другой. Сама постановка задачи эксперимента предполагает тончайшее измерение раз личных по своей физической природе величин. Такие эксперименты были впервые выполнены Дж. Джоулем. Экспериментируя с проводниками элек трического тока, он открыл закон, по которому количество теплоты, выде ленной при прохождении тока через проводник в единицу времени, пропор ционально произведению квадрата силы тока на сопротивление проводни ка. Этот же закон независимо от Джоуля установил Петербургский акаде мик Эмилий Христианович Ленц (1804—1865), поэтому закон носит сегодня имя обоих ученых.
Механический эквивалент теплоты Дж. Джоуль определил с помощью установки, схема которой приведена на рис. 2.4. Потенциальная энергия груза массой т, поднятого на высоту А, равна Е = nigh. Эта энергия при опус кании груза превращается в кинетическую энергию вращающихся лопастей. Кинетическая энергия лопастей передается воде, налитой в калориметр. Температура воды повышается при этом на АТ. Если с — удельная теплоем кость воды, то
mgh = стаАТ,
Рис. 2.4. Схема установки для определения механического эквивалента теплоты
где тв — масса воды в калориметре, с = 1 (для воды). Джоуль на основании опы тов установил соотношение, которое в современной системе величин имеет вид:
1 кал = 4,185 Дж.
Таким образом, 4,185 Дж — это та энергия, которая эквивалентна тепло те, поднимающей температуру 1 грамма воды на ГС.
К установлению закона сохранения и превращения энергии Г. Гельмгольц пришел иным путем. В своей работе «О сохранении силы» (1847г.) он проана лизировал закономерности превращения энергии с точки зрения механики и электродинамики. Майер и Джоуль рассматривали весьма важный, но все же ча стный случай сохранения механической и тепловой «силы» (термин «энергия», впервые введенный в науку Томасом Юнгом, вошел в термодинамику позже, после работ Кельвина). Гельмгольц рассматривает и другие виды энергии, вво дит некоторую физическую величину, которую ранее смешивали с понятием силы, участвующую во всех физических явлениях, невесомую и неуничтожимую.
Исторически законы сохранения энергии и массы были независимо ус тановлены в разных областях науки. В физику XIX в. были введены поня тия о двух различных сущностях — материи и энергии, каждая из которых подчиняется закону сохранения. Лишь с появлением специальной теории относительности А. Эйнштейна возникло представление о том, что материя и энергия есть различные меры одной и той же физической сущности.
2.4. Начала термодинамики. Клаузиус. Карно
Термодинамика возникла как учение о теплоте при использовании ее для получения работы. В рамках термодинамики не рассматривается внутрен нее строение вещества, а тепловые явления описываются макроскопичес кими параметрами, такими, как температура, давление, объем.
Термодинамика была создана после открытия закона сохранения энер гии. В основе термодинамики лежат аксиомы или «начала», полученные из обобщения экспериментальных данных, и понятие «внутренняя энергия».
Допустим, что какую-либо систему путем совершения работы переводят из одного равновесного состояния в другое. Внутренней энергией U систе мы называют такую функцию ее состояния, приращение которой во всяком процессе, совершаемом системой в адиабатической оболочке, равно работе внешних сил над системой при переходе из начального состояния в конеч ное. Адиабатической оболочкой называют такую, которая полностью изо лирует систему от влияния изменения температуры окружающих тел. Для системы в адиабатической оболочке:
и,-и,=л,г,
где (/, и Щ — значения внутренней энергии в состояниях 1 и 2, Л12— вне шняя работа, совершаемая над системой.
