ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Природа теплоты из "Современная термодинамика " В результате работ Джозефа Блэка и других естествоиспытателей различие между количеством теплоты и температурой было осознано в ХУП в., однако природа теплоты не была ясно понята вплоть до середины XIX в. Роберт Бойль, Исаак Ньютон и другие считали, что теплота (тепло) представляет собой микроскопическое беспорядочное движение частиц (молекулярно-кинетическая теория теплоты—пер.). Сторонники противоположной точки зрения, господ-ствовавщей во Франции, полагали, что теплота —это некоторая неразрушимая текучая субстанция, которой обмениваются материальные тела. Эта неразрушимая субстанция называлась калорической жидкостью и ее количество измерялось в калориях (см. разд. Д.2.1). Калорическую теорию теплоты поддерживали такие выдающиеся ученые, как Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794), Жан Батист Жозеф Фурье (1768-1830), Пьер Симон де Лаплас (1749-1827), Симеон Дени Пуассон (1781-1840). Даже Сади Карно (1796-1832), гению которого мы обязаны открытием второго начала термодинамики, первоначально использовал понятие калорической жидкости, хотя в дальнейшем отказался от этой концепции. [c.44] Количество теплоты можно измерить по повышению температуры тела. В нашей книге используется в основном система интернациональная (СИ), в которой количество теплоты измеряется в джоулях, но мы довольно широко применяем и другую единицу — калорию. [c.45] Калория. Первоначально калория определялась как количество теплоты, которое требуется для того, чтобы нагреть 1 г воды на 1°С. Когда было установлено, что количество теплоты зависит от начальной температуры воды, было принято другое определение. Калория 1 кал) — это количество теплоты, которое требуется для нагревания 1 г воды с 14,5 до 15,5° С. [c.45] Изменение температуры зависит от того, поддерживается ли вещество при постоянном объеме или при постоянном давлении. Соответствующие теплоемкости принято обозначать Су и Ср. [c.45] Молярная теплоемкость. Молярной теплоемкостью называется теплоемкость одного моля вещества. [c.45] Результаты тщательно проведенных экспериментов Джеймса Прескотта Джоуля, опубликованные в 1847 г., не оставили пи малейших сомнений в том, что теплота не какая-то неразрушимая субстанция, она может преобразовываться в механическую энергию, и наоборот [5,6]. Кроме того, Джоуль показал, что между количеством теплоты и механической энергией (работой) Существует эквивалентность в следующем смысле некоторое количество механической энергии, независимо от конкретных способов превращения, всегда производит одно и то же количество теплоты (4,184 Дж работы (энергии) производят 1 кал теплоты). Это означало, что теплоту и механическую энергию можно было считать различными проявлениями одной и той же физической величины — энергии . [c.46] Но что же такое теплота В классической картине движения частиц теплота—это неупорядоченная форма кинетической энергии. При нагревании или охлаждении тела средняя кинетическая энергия его молекул изменяется. Действительно, средняя кинетическая энергия равна ти р/2 = ЗкТ/2, где ср — средняя скорость молекулы, к — 1,381 10 Дж/К — постоянная Больцмана, Т — температура в кельвинах. В особых случаях, когда вещество претерпевает фазовые превращения, теплота не изменяет температуру тела, а приводит к изменению состояния (фазового состава). [c.46] Но это еще не все из того, что мы можем сказать о теплоте. Кроме материи (вещества), существуют поля. Классическая физика установила, что электромагнитное излучение — физический процесс, при котором происходит перенос энергии и импульса. Когда частица приобретает или теряет энергию, частично она превращается в энергию поля. Примером может служить энергия электромагнитного излучения. Взаимодействие между веществом и излучением приводит к состоянию теплового равновесия, в которо.м температура тела связана с излучением. Излучение в тепловом равновесии с веществом называется тепловым излучением . Термодинамика теплового излучения подробно обсуждается в гл. 11. [c.46] В XX в. наши представления о частицах и полях были объединены современной квантовой теорией поля. Согласно квантовой теории поля, все частицы представляют собой возбуждения квантовых полей. Мы знаем теперь, что электромагнитные поля связаны с частицами, которые назьтаются фотонами, хотя они и обладают волновой природой. Другие поля, например поля, связанные с ядерными силами, также имеют соответствующие частицы. Подобно тому, как фотоны испускаются или поглощаются молекулами, совершающими переход из одного состояния в другое (рис. 2.1) (согласно классическим представлениям такие процессы соответствуют испусканию или поглощению энергии), при взаимодействии частиц высокой энергии происходит спонтанное испускание или поглощение таких частиц, как электроны, мезоны и протоны. Одно из наиболее замечательных открытий современной физики заключается в том, что для каждой частицы есть античастица. При столкновении частицы со своей античастицей обе частицы аннигилируют, и их энергия превращается в другие формы, например в фотоны. Все это расширило наше знание о возможных состояниях вещества. При тех температурах, которым соответствует наш повседневный опыт, столкновения молекул сопровождаются испусканием фотонов, но не других частиц. При достаточно высоких температурах (больше 10 ° К) в результате столкновений могут появиться не только фотоны, но и другие частицы. Рождение частиц часто происходит парами частица—античастица (рис. 2.2). Таким образом, существуют состояния вещества, в которых происходит непрестанное рождение пар частица — античастица. В этом состоянии материя (вещество) есть не что иное, как сильно возбужденное состояние поля. Понятия термодинамического равновесия и термодинамической температуры применимы и к такому состоянию. [c.47] Вернуться к основной статье