Чтение онлайн

Советский Союз — первое в мире государство, в котором воплощены на практике идеи марксизма-ленинизма. После смерти Ленина прошло немногим более 60 лет. За это короткое, если мерить масштабами человеческой истории, время в Советском Союзе построено социалистическое общество, резко возрос уровень жизни, образования и культуры народа. На долю советского народа выпали трудные испытания, самым тяжелым из которых была война против наиболее реакционной силы — немецкого фашизма, завоевавшего в то время большую часть Европы. Под руководством своей Коммунистической партии советский народ, его доблестные вооруженные силы наголову разбили фашистские полчища, спасли народы Европы, народы всего мира от фашистского порабощения.

Теперь Советский Союз не одинок. Образовалось содружество социалистических стран, единственной целью которых является счастье народов, предотвращение новой войны, сохранение и укрепление мира, построение нового общественного строя, о котором веками мечтало все прогрессивное человечество, — коммунизма.

Со времен Галилея и Ньютона до начала XX в., т. е. около трех столетий, большинство ученых было убеждено, что все науки о природе в конце концов могут быть сведены к механике, что законы механики в конечном итоге являются всеобъемлющими, тотальными, что механика является, гак сказать, наукой наук. Такому представлению в большой мере содействовали идеи Коперника, Галилея и особенно Ньютона, чьи дарования были столь велики, а его система основ механики и теория движения небесных тел представлялись убедительными и бесспорными. В середине XIX в. знаменитый немецкий ученый Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821–1894) писал: «Следовательно, конечную задачу физической науки мы видим в том, чтобы свести физические явления к неизменным силам притяжения или отталкивания, величина которых целиком зависит от расстояния. Разрешимость этой задачи есть условие полного понимания природы» [294] .

Развитию механистического представления в науке в большой мере содействовало создание кинетической теории тепла, о существе которой будет сейчас кратко сказано. Необходимо заметить только, что кинетическая теория тепла была и остается (так же как и сама классическая механика Ньютона) одним из крупнейших достижений науки.

Начать рассказ придется издалека. Теперь хорошо известны такие понятия, как теплота и температура. Известно также, что это далеко не одно и то же. Часто для того, чтобы лучше объяснить, что представляют собой теплота и температура, их сравнивают соответственно с количеством воды и уровнем, на котором вода находится. Действительно, вода никогда сама по себе (например, без помощи насоса) не потечет от уровня более низкого к уровню более высокому, а теплота (это установлено опытом) не будет сама по себе переходить от тела менее нагретого, т. е. имеющего меньшую температуру, к телу более нагретому, имеющему большую температуру.

Приведенная аналогия оказалась настолько удачной, что, может быть, отчасти поэтому долгое время под теплотой понимали некоторую якобы существующую невесомую субстанцию — теплород, имеющую способность «перетекать» от более нагретых тел к менее нагретым. О теплороде выше уже говорилось. Существование теплорода неоднократно подвергалось сомнению. Как об этом тоже уже говорилось, одним из первых, кто высказал отрицательное мнение о существовании теплорода, был великий русский ученый Ломоносов, давший также правильное с современной точки зрения представление о существе теплоты, о чем подробнее речь будет идти немного ниже.

На первый взгляд может показаться, что опыт с образованием тепла в результате трения (например, двух кусков дерева друг о друга, как делали первобытные люди, чтобы добыть огонь) является смертным приговором теплороду. Но на самом деле это не совсем так: если бы удалось доказать, что в результате трения изменяются свойства трущихся веществ (их теплоемкость), то смертный приговор теплороду пришлось бы, но крайней мере, отсрочить. Решающим наблюдением, возвестившим об ошибочности теории теплорода, было наблюдение известного американского естествоиспытателя и политического деятеля графа Бенджамина Румфорда (1753–1814), сделанное им в 1798 г. Предоставим слово автору наблюдения — Румфорду: «Недавно, будучи обязанным наблюдать за сверлением пушки на заводах военного арсенала в Мунче, я был удивлен очень значительной степенью теплоты, которую приобретала медная пушка за короткое время сверления; еще интенсивнее (гораздо интенсивнее, чем теплота кипящей воды, как я обнаружил опытом) была теплота металлических стружек, отделенных от пушки при сверлении…

Откуда приходит теплота, фактически произведенная в вышеупомянутом механическом процессе?

Доставляется ли она металлическими стружками, которые отделяются при сверлении от твердой массы металла?

Если бы это было так, то, согласно современному учению о скрытой теплоте и о теплороде, теплоемкость их не только должна была измениться, но само изменение это должно быть достаточно велико, чтобы объяснить всю произведенную теплоту.

Но никакого такого изменения не было; я обнаружил это, взяв равные по весу количества этих стружек, а также тонких полосок той же самой металлической болванки, отделенных мелкой пилкой, и положив их при одинаковой температуре (температуре кипящей воды) в сосуды с холодной водой, взятой в одинаковых количествах (например, при температуре 59,5° по Фаренгейту [295] ); вода, в которую были положены стружки, судя по всему, но нагревалась больше или меньше, чем другая часть воды, в которую были положены полоски металла.

Обсуждая этот предмет, мы не должны забывать учета того самого замечательного обстоятельства, что источник теплоты, порожденный трением, оказался в этих экспериментах явно неисчерпаемым…

Совершенно необходимо добавить, что это нечто, которое любое изолированное тело или система тел может непрерывно поставлять без ограничения, не может быт:, материальной субстанцией; и мне кажется чрезвычайно трудным, если не совершенно невозможным, создать какую-либо точную идею о чем-то, что в состоянии возбуждаться и передаваться подобно тому, как возбуждается и передается в этих экспериментах теплота, если только не допустить, что это что-то есть движение» [296] .

Рис. 35. Схема опыта Джоуля.

1 — медный сосуд, заполненный водой; 2—мешалка с лопатками; 3 — блок; 4 — груз весом в; 5 — неподвижные лопатки.

Итак, из простых и ясных опытов Румфорда следует, что теплорода не существует, а теплота есть движение. Спустя почти 50 лет после опытов Румфорда немецкий естествоиспытатель, врач Юлиус Роберт Майер (1814–1878) сформулировал (в 1842 г.) закон эквивалентности механической работы и теплоты. Другими словами он первым сформулировал закон сохранения энергии. А в 1843–1850 гг. английский естествоиспытатель, пивовар Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) опытным путем с высокой степенью точности установил механический эквивалент тепла: 427 кгс · м/ккал. Последующие эксперименты внесли небольшую поправку к величине механического эквивалента тепла, найденного Джоулем, которая теперь принимается равной 426,935 кгс · м/ккал. На рис. 35 представлена схема опыта Джоуля. Существо опыта следующее. Груз G, падая с высоты h, производит механическую работу Gh. Вся эта работа расходуется на трение между лопастями приводимой во вращение мешалки 2 и водой, заполняющей сосуд 1. Тепло, приобретенное водой, определяется по повышению ее температуры. Очевидно, что искомое значение механического эквивалента тепла J может быть определено по уравнению

где Gh, кгс м — механическая работа, L, кгс — вес воды в сосуде 1, ккал/кгс-°С — весовая теплоемкость воды, близкая к единице; t, °С — повышение температуры воды.

В дальнейшем было установлено, что механическая и тепловая энергия — две формы энергии из большого числа возможных ее форм. В частности, кроме механической и тепловой энергии, существуют: химическая энергия, которой обладает, например, любое Органическое топливо, выделяющее при сжигании теплоту; ядерная (атомная) энергия — внутренняя энергия атомных ядер, освобождающаяся в виде теплоты в результате ядерных реакций; электромагнитная энергия, о которой речь будет ниже.

XVIII–XIX вв. были установлены два, как тогда полагали, независимых друг от друга закона сохранения: закон сохранения массы и закон сохранения энергии, — согласно которым масса и энергия изолированной системы неизменны. Это долгое время считавшееся незыблемым представление классической физики претерпело изменения, связанные с теорией относительности. Об этом будет сказано позднее.

Отказ от теории теплорода, естественно, включил в повестку дня вопрос о сущности теплоты. Мы уже касались этого вопроса. Согласно кинетической теории тепла, тепловая энергия есть не что иное, как сумма энергий мельчайших частиц: молекул, атомов, электронов и др. В газе, например, представляющем собой совокупность мельчайших частиц, находящихся в беспорядочном, хаотическом движении, энергия каждой из частиц определяется скоростью ее движения (ее кинетической энергией, причем принимается в расчет поступательное и вращательное движение, а также колебательное движение атомов в молекулах) и положением в отношении других частиц (ее потенциальной энергией), Тепловая энергия рассматриваемого газа в целом, согласно сказанному выше, есть сумма энергии (кинетической и потенциальной) всех единичных мельчайших частиц.