ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Температура, теплота и количественные газовые законы из "Современная термодинамика " На протяжении ХУП и ХУП вв. в представлениях Человека о Природе произошли фундаментальные изменения. Природа медленно, но верно утрачивала роль средства для воплощения воли Бога, постигаемую только через теологию. Новое, научное , представление о Природе, основанное на опыте (научных экспериментах), дало нам иное мировоззрение и отдалило Природу от религии. Согласно новым взглядам, акт Божественного сотворения мира вполне мог быть, но Природа подчиняется простым и универсальным законам, которые Человек может познавать и выражать на точном языке математики. Ключом, открывающим тайны Природы, стали эксперимент и количественное изучение физических величин. [c.22] Именно в эпоху этих великих изменений в сознании началось научное исследование природы теплоты. Такие исследования стали возможными главным образом в результате усовершенствования термометра, конструирование и использование которого начинаются еще со времен Галилео Галилея (1564-1642) [2, 3]. Влияние столь простого прибора, как термометр, на развитие науки было весьма значительным. По стовам сэра Гэмфри Дэви (1778-1829), ничто не способствует прогрессу знания в большей мере, чем применение нового прибора . [c.22] Наиболее интересное открытие совершил с помощью термометра Джозеф Блэк (1728-1799), профессор медицины и химии в Глазго. Блэк сумел провести четкое различие между температурой, или степенью нагретости, и количеством теплоты. Используя в своих опытах незадолго до того сконструированные термометры, Блэк установил важный экспериментальный факт в состоянии теплового равновесия температуры всех веществ одинаковы. Современники Блэка с трудом восприняли эту мысль, так как она находилась в кажущемся противоречии с повседневным опытом если прикоснуться к куску металла, то на ощупь он кажется холоднее, чем рядом лежащий кусок дерева, хотя дерево и металл продолжительное время находились в контакте. Тем не менее термометр доказывал равенство температур и не оставлял почвы ни для малейших сомнений. Используя термометр, Блэк открыл удельную теплоемкость веществ и развеял тем самым бытовавшее в то время неправильное мнение о том, что количество теплоты, необходимое для повышения температуры вещества на заданную величину, зависит исключительно от массы тела и не зависит от того, из чего оно состоит (от его химического состава). Блэк также открыл скрытую теплоту плавления и испарения воды (последнее открытие он совершил с помощью своего преисполненного энтузиазмом ученика Джеймса Уатта (1736-1819)) [3, 4]. [c.22] Хотя работы Джозефа Блэка и других исследователей позволили провести четкое различие между количеством теплоты и температурой, природа тепла (теплоты) долгое время оставалась загадкой. Вплоть до конца XIX в. [c.22] Температуру можно измерить, наблюдая, как изменяется в зависимости от степени нагретости какое-нибудь физическое свойство, например объем жидкости (скажем, ртути) или давление газа. Таким образом, опытным путем определяется эмпирическая температура. Масштаб единицы температуры зависит от масштаба изменения измеряемого свойства, что также зависит от степени нагретости вещества. Знакомая всем шкала Цельсия появилась в ХУ1П в. Как мы увидим в последующих главах, формулировка в середине XIX в. второго начала термодинамики ввела понятие абсолютной шкалы температур, не зависящей от свойств вещества. Современная термодинамика формулируется в терминах абсолютной температуры Т. [c.23] Далее изложены в самых общих чертах без углубления в подробности газовые законы. При этом предполагается, что читатель знаком с законами идеального газа. [c.23] Долгое время считалось, что теплота (тепло) — это неразрушимая субстанция, или калорическая жидкость. Согласно теории теплового флюида -, именно переход этой калорической субстанции от одного тела к другому (наподобие течения жидкости) вызывает изменение температуры. Но в XIX в. было установлено, что теплота —это форма передачи энергии, которая способна переходить в другие формы (гл. 2). Следовательно, количество теплоты (тепла) измеряется в единицах энергии. В нашей книге мы используем в основном систему интернациональную (СИ), в которой количество теплоты измеряется в джоулях (Дж), хотя допустимо применять и калории. [c.24] Калорией называется количество теплоты, которое необходимо для того, чтобы нагреть 1 г воды с Ц,5 до 15,5° С. 1 кал = 4,184 Дж. [c.24] Удельной теплоемкостью вещества называется количество теплоты, которое необходимо, чтобы температуру некоторой единичной массы (обычно 1 г или 1 кг) повысить на 1°С. [c.24] Уравнение состояния идеального газа называется уравнением Клапейрона — Менделеева. В 1834 г. Клапейрон эмпирически установил, что pVjT = onst, причем, как видно из (1.3.4), константа зависит от природы газа и его массы. В 1874 г. Д. И. Менделеев показал, что для одного моля идеального газа комбинация только интенсивных переменных pV ilT = Я превращается в универсальную константу. — Прим. ред. [c.26] По мере того как в XVIII и XIX вв. химики выделяли и идентифицировали все новые и новые газы, изучались и свойства этих газов. Для большинства газов закон Бойля выполняется лишь приближенно. Он хорошо описывает экспериментально наблюдаемое поведение газов до давления в несколько атмосфер. Как мы увидим в следу юш,ем разделе, поведение газов в более широком диапазоне давлений можно описать с помощью модификаций уравнения состояния идеального газа, учитывающих размеры молекул и силы межмолекулярного взаимодействия. [c.27] Все эти эмпирически установленные газовые законы сыграли важную роль в развитии термодинамики. Они стали своего рода полигоном для проверки любого общего постулата. [c.28] В этом уравнении постоянная а характеризует силы притяжения между молекулами, а постоянная Ъ пропорциональна размеру молекул, т. е. а и Ь характерны для данного вещества. Например, для газа гелия а к Ъ меньше, чем для газа СО 2- Постоянные а и Ь для некоторых наиболее распространенных газов представлены в табл. 1.1. В отличие от уравнения состояния идеального газа уравнение Ван дер Ваальса содержит индивидуальные константы в явном виде, т. е. при расчетах с реальным газом давление и объем идеального газа необходимо корректировать. В следующем разделе мы увидим, каким образом Ван дер Ваальс вывел свое уравнение, а пока мы хотели бы, чтобы такую попытку вывода уравнения Ван дер Ваальса предприняли наши читатели самостоятельно. Потом уже мы перейдем к изучению следующего раздела. [c.29] Постоянные Ван дер Ваальса можно получить по критическим параметрам вещества [В]. Более полные данные по постоянным Ван дер Ваальса см. в источнике данных [F]. [c.30] ЧТО выше определенной температуры, называемой критической, сжижение газа становилось невозможным независимо от давления (этот эффект мы рассмотрим в следующем разделе). Обнаружилось также, что при очень высоких давлениях уравнение Ван дер Ваальса становится неприменимым (упр. 1.9). Различные усовершенствованные варианты уравнения Ван дер Ваальса, предложенные Клаузиусом, Бертло и другими, мы рассмотрим в гл. 6. [c.30] Вернуться к основной статье