Развитие кинетической теории газов
Физикам, занимавшимся исследованием характера теплового движения, естественно было бы начать с того, на чем остановились их предшественники, утверждавшие еще в XVII и XVIII вв., что теплота есть движение. Однако за время длительного господства веществен¬ной теории теплоты их работы в значительной степени были забыты. С другой стороны, за этот период воззрения на внутреннее строение тел эволюционировали. Поэтому в середине XIX в., когда уже стало ясно, что теплота есть движение, при построении конкретных теорий о характере этого движения пришлось все начинать почти с самого начала. В вопросе о строении вещества в науке первой половины XIX в. существовало довольно сложное положение. Атомистические представления о строении вещества довольно широко использовались в науке XVII—XVIII вв. Эти представления использовал Ломоносов для объяснения как физических, так и химических явлений. Однако во второй половине XVIIIв. атомистическую гипотезу почти перестают использовать. Только в начале XIX в. благодаря работам английского химика Джона Дальтона (1766—1844) эта гипотеза стала использоваться.
Первоначально Дальтон применил атомистическую гипотезу для объяснения закона парциальных давлений, открытого им в 1801 г. При этом он разработал теорию атомного строения вещества, которую за¬тем использовал для объяснения химических процессов. Дальтон полагал, что атомы — это маленькие шарики, между которыми действуют силы притяжения и силы отталкивания. Силы отталкивания, по Дальтону, присущи, однако, не самим атомам вещества, а частицам теплорода, которые обволакивают их, обусловливая отталкивание между атомами. При нагревании тела количество теплорода в теле увеличивается; это приводит к тому, что силы отталкивания между атомами тела увеличиваются и они стремятся удалиться друг от дру¬га. Этим, как считал Дальтон, объясняется, в частности, и расширение тел при нагревании. Проделав большую работу, на основании различных соображений Дальтон составил таблицы атомных весов химических элементов (атомный вес водорода Дальтон принял за единицу) и дал первые формулы химических соединений, введя своеобразные обозначения для атомов химических элементов. Конечно, таблица атомных весов Дальто¬на была далека от совершенства, так же как и его химические формулы. Приняв для воды неправильную формулу НО, Дальтон неправильно определил и атомный вес кислорода, а отсюда и атомный вес угле¬рода и других элементов. Список химических элементов Дальтона был невелик, кроме того, в него входили некоторые химические вещества, не являющиеся простыми. Однако общее учение Дальтона весьма прогрессивно. Оно стимулировало дальнейшее развитие химической науки и развитие атомистической гипотезы, которая после его работ стала гораздо более убедительной, чем прежде. После опубликования основных работ Дальтона многие химики положили в основу своих исследований по химии атомистическую гипотезу и направили усилия на дальнейшее и более точное определение атомных весов и установление химических формул различных химических соединений. Однако вскоре они встретились с большими трудностями и противоречиями.
Все началось с открытия Гей-Люссаком в 1808 г. нового закона. Он установил, что газы соединяются всегда в кратных объемных отношениях. Этот весьма простой по форме закон было трудно объяснить согласно взглядам Дальтона. Если один объем хлора целиком реагирует с одним объемом водорода, то, полагая, что при этом один атом водорода соединяется с одним атомом хлора, легко было прийти к выводу, что одинаковые объемы хлора и водорода при одинаковых давлениях и температуре содержат одинаковое число атомов. Рассматривая другие реакции, это положение можно было обобщить и прийти к заключению, что вообще равные объемы всех газов при одинаковых условиях содержат одинаковое число частиц. Но, с другой стороны, один объем водорода и один объем хлора дают при реакции не один, а два объема хлороводорода. Значит, либо в единице объема хлороводорода содержится меньшее число частиц, либо при соединении хло¬ра и водорода соединяются не целые атомы, а половинки. Второе пред¬положение, казалось, противоречило основной гипотезе о существовании атомов, первое же не согласовывалось с казавшейся весьма правдоподобной гипотезой, объясняющей закон, открытый Гей Люссаком. Правильное решение вопроса дал итальянский ученый Авогадро. Он высказал гипотезу, которую выдвигал еще Ломоносов о необходимости различать два типа частиц: атомы и молекулы «элементы» [«корпускулы» (по терминологии Ломоносова)]. В 1811 г. Авогадро,
введя понятие молекулы (интегральная молекула), дал правильное объяснение закону Гей-Люссака. Он предположил, что в равных объемах газов содержится не одинаковое число атомов, а одинаковое число молекул, и что частицы простых газов бывают сложными, их молекулы состоят из двух и более атомов. Независимо от Авогадро к той же гипотезе пришел в 1814 г. Ампер, который также предложил различать понятие атома и молекулы. Однако такая гипотеза входила в противоречие с электрохимической теорией Берцелиуса, согласно которой каждая частица простого элемента имеет положительный или отрицательный заряд. Теория объясняла многие химические явления и была широко распространена. Но, по теории Берцели¬уса, объединение в общую молекулу атомов одного и того же химиче¬ского элемента необъяснимо, поэтому гипотеза Авогадро—Ампера ей противоречила. Результаты продолжающихся экспериментальных исследований по определению атомных весов и химических формул веществ противоречили теории Берцелиуса. Целый ряд соединений, особенно органических, никак нельзя было объяснить тем, что атомы одних элементов всегда электроположительны, а других — электроотрицательны. Про¬тив теории Берцелиуса возникла серьезная оппозиция и развернулась дискуссия. Берцелиусу и его приверженцам для «спасения» теории пришлось прибегнуть к ряду дополнительных гипотез, касающихся также и вопросов атомного строения вещества. Таким образом, к середине XIX в. атомистика, которая с таким успехом была применена в начале века Дальтоном, стала рассматри¬ваться многими химиками как пройденный этап. Среди физиков ато¬мистическая гипотеза также не могла получить серьезной поддержки. Несмотря на то что многие физики не возражали против нее, роль этой гипотезы в развитии физической науки пока еще была очень и очень ограничена. Развитие физических наук не достигло еще такого уровня, когда наблюдаемые закономерности можно непосред¬ственно связать с теми или иными атомно-молекулярными гипотезами, и эта гипотеза еще не стала необходимой при разработке конкретных физических теорий. Недоверчивое отношение к атомистической гипотезе было связано у физиков со скептическим отношением к натурфилосо¬фии вообще. «... В среде физиков,— пишет Розенбергер,— постепенно распространилось пренебрежение или даже ненависть к натурфилософии вообще, и вскоре они пришли к такой точке зрения, в силу которой в учении о метерии все казалось запрещенным, а потому самому и дозволенным. О строении материи и свойствах ее сил по меньшей мере избегали говорить, и только в сочинениях некоторых выдающихся физиков-математиков можно отыскать достаточный материал для того, чтобы воспроизвести господствовавшее в то время учение о материи» ). Правда, физики, иногда использовали представление об атомисти¬ческом строении материи. Так, например, представлением о дискрет¬ном строении вещества и даже эфира пользовались Френель и другие. Изменение отношения к атомистической гипотезе строения вещест¬ва начинает намечаться в середине XIX в., и основным толчком к это¬му послужило открытие эквивалентности теплоты и работы и закона сохранения и превращения энергии. Начиная с середины XIX в. по-являются работы, в которых авторы пытались объяснить газовые за¬коны и тепловые явления. Англичанин Ватерстон в 1845 г. предста¬вил в редакцию трудов Королевского общества для опубликования статью под названием: «0 физической среде, состоящей из свободных и вполне упругих молекул, находящихся в движении». Однако эта статья увидела свет гораздо позже, в 1892 г.». Ватерстон считал, что тела состоят из молекул — упругих шариков, движение которых и есть теплота. В твердых телах это колебательное движение около положений равновесия. В газах же молекулы выходят из сферы дей¬ствия молекулярных сил и движутся как свободные материальные те¬ла, т. е. поступательно. Ударяясь о стенки и отскакивая от них, мо¬лекулы создают в результате этого непрерывно действующую силу — давление на стенки. Ватерстон приходит к выводу, что упругость газа про¬порциональна плотности и живой силе его молекул. Отсюда следуют законы Бойля—Мариотта и Гей-Люссака, если полагать, что абсолют¬ная температура газа пропорциональна средней кинетической энергии («живой силе») его молекул. Ватерстон затронул ряд других вопросов кинетической теории: теплоемкости газов, распределения температу¬ры газа в поле тяжести в зависимости от высоты и др. В некоторых случаях, несмотря на упрощенные представления о тепловом движе¬нии, Ватерстон сделал правильные выводы. Так, например, он полу¬чил (хотя и неправильным путем), что в газе, состоящем из смеси раз¬личных молекул, «средний квадрат молекулярной скорости обратно пропорционален удельному весу молекул» . (Спустя 15 лет эти же дан¬ные получил Максвелл.)
Начиная с 50-х годов, в печати появляются работы, посвященные исследованию тепловых явлений с точки зрения представления о молекулярном движении. Так, уже в 1850 г. Ранкин пытается рас¬смотреть теплоту как особый род невидимых скрытых движений, про¬текающих в атомно-молекулярной области. Интересно, что при этом он возрождает в новой форме идею Ломоносова о тепловом движении как вращательном (коловратном). Ранкин полагает, что атом состоит из ядра и упругой атмосферы, удерживающейся силами притяжения около ядра. Вращение и колебание этих атмосфер и есть тепловое дви¬жение. Основываясь на таких представлениях о природе теплоты, Ран¬кин и пришел к ряду выводов, относящихся к термодинамике. В 1851 г. Джоуль опубликовал работу «Некоторые замечания о теплоте и о строении упругих жидкостей» .
Первоначально Джоуль рассматривал теплоту как вращательное движение электрических атмосфер, окружающих атомы, но затем отказался от этой мысли. В данной статье он рассматривает вопрос о тепловом движении частиц газа и полагает, что тепловым движением является их поступатель¬ное движение. Эта гипотеза представлялась Джоулю проще и правдоподобнее гипотезы о теплоте как вращательном движении частиц газа, хотя последняя, как он считает, в равной мере согласуется с наблюдаемыми явлениями.
Клаузиус рассматривает теплоту как движение атомов и молекул. В твердом теле молекулы совершают движение вокруг определенных положений равновесия, а в жидкости молекулы могут двигаться и поступательно, но так, что они не разлетаются во все стороны, а остаются в пределах определенного объема. В газах же молекулы выходят из сферы взаимного притяжения и движутся поступательно во все стороны, сталкиваясь между собой. Однако кроме поступательного движения молекулы газа участвуют и во вращательных движениях, а также могут обладать внутренними движениями — движением частей молекул. Для вывода количественных закономерностей Клаузиус рассматривает идеальный газ, заключенный в сосуд, имеющий форму параллелепипеда, в котором молекулы газа пролетают от одной стенки до другой, от одного основания до другого, не сталкиваясь между собой. При этом все молекулы движутся с одной и той же средней по величине скоростью, но в разных направлениях, причем все направления движения молекул одинаково часто встречаются. Для обоснования этих предположений Клаузиус ссылается на теорию вероятностей. В данной работе Клаузиус коснулся также ряда других вопросов кинетической теории газов. С точки зрения этой теории он объясняет явления кипения и конденсации газов и т. д. Клаузиус также указы¬вает на возможность подсчета скорости газовых молекул какого-либо газа при данной температуре и сам производит такой расчет.
