Теория теплорода — устаревшая научная теория , согласно которой тепло состоит из самоотталкивающейся жидкости, называемой теплородом , которая течет от более горячих тел к более холодным. Теплород также считался невесомым газом , который мог входить и выходить из пор в твердых телах и жидкостях. «Теория теплорода» была заменена к середине 19 века механической теорией тепла , но тем не менее сохранялась в некоторой научной литературе, особенно в более популярных трактовках, до конца 19 века. [1]
В истории термодинамики первоначальные объяснения тепла были полностью перепутаны с объяснениями горения . После того, как Дж. Дж. Бехер и Георг Эрнст Шталь в 17 веке представили флогистонную теорию горения, флогистон считался субстанцией тепла.
Существует одна версия теории теплорода, введенная Антуаном Лавуазье . До теории теплорода Лавуазье опубликованные ссылки, касающиеся тепла и его существования, за исключением того, что оно является агентом химических реакций, были редки, и только Джозеф Блэк в журнале Розье (1772) сослался на температуру плавления льда. [2] В ответ на Блэка личные рукописи Лавуазье показали, что он столкнулся с тем же явлением фиксированной температуры плавления льда, и упомянули, что он уже сформулировал объяснение, которое он еще не опубликовал. [3] Лавуазье разработал объяснение горения с точки зрения кислорода в 1770-х годах.
28 июня и 13 июля 1783 года Лавуазье прочитал свою двухчастную рукопись «Размышления о флогистоне» ( Réflexions sur le phlogistique ) [a] в Королевской академии наук в Париже. [4] В этой статье Лавуазье утверждал, что теория флогистона несовместима с его экспериментальными результатами, и предложил «тонкую жидкость», которую он назвал «огненной жидкостью», в качестве субстанции тепла . [5] Лавуазье утверждал, что эта «огненная жидкость» является причиной тепла и что ее существование необходимо для объяснения теплового расширения и сжатия.
Когда обычное тело — твердое или жидкое — нагревается, это тело... занимает все больший и больший объем. Если причина нагревания исчезает, тело отступает... с той же скоростью, с которой оно охлаждается. Наконец, если его вернуть к той же температуре, которую оно имело в первый момент, оно, очевидно, вернется к тому же объему, который имело раньше. Следовательно, корпускулы материи не соприкасаются друг с другом, между ними существует расстояние, на котором тепло увеличивается, а холод уменьшается. Едва ли можно представить себе эти явления, не допустив существования тонкой жидкости, накопление которой является причиной тепла, а отсутствие — причиной холода. Несомненно, именно эта жидкость находится между частицами материи, которая раздвигает их и занимает оставшееся между ними пространство. ... Я называю эту жидкость... огненной жидкостью, материей тепла и огня. Я не отрицаю, что существование этой жидкости... гипотетично. [6]
Термин «калорий» не был придуман до 1787 года, когда Луи-Бернар Гайтон де Морво использовал calorique в работе, которую он редактировал совместно с Лавуазье. [7] Слово «калорий» впервые было использовано на английском языке в переводе эссе Гайтона де Морво 1788 года Джеймсом Сент-Джоном. [8] Согласно теории теплорода, количество этого вещества постоянно во всей Вселенной, [ необходима ссылка ] и оно перетекает от более теплых тел к более холодным. Действительно, Лавуазье был одним из первых, кто использовал калориметр для измерения тепла, выделяемого в ходе химической реакции. Лавуазье представил идею о том, что теплород — это тонкая жидкость, подчиняющаяся общим законам материи, но разреженная до такой степени, что она способна проходить через плотную материю без ограничений; собственная материальная природа теплорода очевидна, когда она находится в изобилии, например, в случае взрыва. [2]
В 1780-х годах граф Рамфорд считал, что холод — это жидкость, «фригорическая», после результатов эксперимента Пикте . Пьер Прево утверждал, что холод — это просто недостаток калорий.
Поскольку тепло было материальной субстанцией в теории теплорода и, следовательно, не могло быть ни создано, ни уничтожено, сохранение тепла было центральным предположением. [9] Считалось, что теплопроводность происходит в результате сродства между теплородом и материей, таким образом, чем менее теплородным было вещество, тем холоднее оно притягивало избыток тепла из соседних атомов до тех пор, пока не достигалось равновесие между теплородом и температурой. [10]
Химики того времени верили в самоотталкивание тепловых частиц как в фундаментальную силу, тем самым делая большую упругость жидкости теплорода, которая не создает отталкивающей силы, аномальным свойством, которое Лавуазье не мог объяснить своим недоброжелателям. [11]
Лавуазье объяснил, что излучение тепла связано с состоянием поверхности физического тела, а не с материалом, из которого оно состоит. [10] [12] Лавуазье описал плохой радиатор как вещество с полированной или гладкой поверхностью, поскольку его молекулы лежат в плоскости, тесно связанной друг с другом, создавая таким образом поверхностный слой тепла, который изолирует высвобождение остальной части внутри. [10] Он описал большой радиатор как вещество с шероховатой поверхностью, поскольку только небольшое количество молекул удерживает тепло внутри данной плоскости, что позволяет большему выходу изнутри. [10] Граф Рамфорд позже сослался на это объяснение движения тепла как на недостаточное для объяснения излучения холода, которое становится предметом спора для всей теории в целом. [10]
Введение теории теплорода было обусловлено экспериментами Джозефа Блэка , связанными с термическими свойствами материалов. Помимо теории теплорода, в конце восемнадцатого века существовала еще одна теория, которая могла объяснить явление тепла: кинетическая теория . В то время эти две теории считались эквивалентными, но кинетическая теория была более современной, так как она использовала несколько идей из атомной теории и могла объяснить как горение, так и калориметрию. Неспособность теории теплорода объяснить испарение и сублимацию в дальнейшем привела к возникновению кинетической теории благодаря работе графа Рамфорда. Граф Рамфорд наблюдал тенденцию твердой ртути плавиться в атмосферных условиях и, таким образом, предположил, что сама интенсивность тепла должна быть обусловлена движением частиц, чтобы такое событие произошло там, где не ожидалось большого тепла. [3]
Из одних только этих гипотез можно сделать и было сделано довольно много успешных объяснений. Мы можем объяснить охлаждение чашки чая при комнатной температуре: теплота отталкивается сама собой и, таким образом, медленно перетекает из областей с высокой плотностью теплоты (горячая вода) в области с меньшей плотностью теплоты (более прохладный воздух в комнате).
Мы можем объяснить расширение воздуха под воздействием тепла: теплород поглощается воздухом, что увеличивает его объем . Если мы скажем немного больше о том, что происходит с теплородом во время этого явления поглощения, мы сможем объяснить излучение тепла , изменения состояния вещества при различных температурах и вывести почти все газовые законы .
Сади Карно , который рассуждал исключительно на основе теории теплорода, разработал свой принцип цикла Карно , который до сих пор составляет основу теории тепловых двигателей . Анализ Карно потока энергии в паровых двигателях (1824) знаменует начало идей, которые привели тридцать лет спустя к признанию второго закона термодинамики .
Считалось, что теплород способен вступать в химические реакции в качестве заместителя, вызывая соответствующие изменения в состояниях материи других веществ. [2] Лавуазье объяснил, что количество теплорода вещества и, в определенной степени, упругость жидкости теплорода напрямую определяют состояние вещества. [13] Таким образом, изменения состояния были центральным аспектом химического процесса и существенными для реакции, в которой заместители претерпевают изменения температуры. [13] Изменения состояния фактически игнорировались предыдущими химиками, сделав теорию теплорода отправной точкой для этого класса явлений как предмета интереса в рамках научного исследования. [2]
Однако одним из величайших очевидных подтверждений теории теплорода было теоретическое исправление Пьером-Симоном Лапласом расчета скорости звука сэра Исаака Ньютона . Ньютон предполагал изотермический процесс , в то время как Лаплас, калорист, трактовал его как адиабатический . [14] Это дополнение не только существенно исправило теоретическое предсказание скорости звука, но и продолжало делать еще более точные предсказания в течение почти столетия после этого, даже когда измерения стали более точными.
В 1798 году граф Рамфорд опубликовал «Экспериментальное исследование источника тепла, возбуждаемого трением» , отчет о своем исследовании тепла, выделяемого при изготовлении пушек . Он обнаружил, что многократное сверление ствола пушки не приводит к потере ее способности производить тепло, а следовательно, и к потере теплоты . Это предполагало, что теплота не может быть сохраняющейся «субстанцией», хотя экспериментальные неопределенности в его эксперименте широко обсуждались.
В то время его результаты не рассматривались как «угроза» теории теплорода, поскольку эта теория считалась эквивалентной альтернативной кинетической теории . [15] Фактически, для некоторых его современников эти результаты расширили понимание теории теплорода.
.png/1280px-Joule's_Apparatus_(Harper's_Scan).png)
Эксперимент Рамфорда вдохновил Джеймса Прескотта Джоуля и других на работу в середине 19 века. В 1850 году Рудольф Клаузиус опубликовал статью, показывающую, что эти две теории действительно совместимы, если только принцип сохранения тепла калориаста был заменен принципом сохранения энергии . Однако, несмотря на совместимость, эти теории существенно различаются по своим следствиям. В современной термодинамике тепло обычно представляет собой передачу кинетической энергии частиц (атомов, молекул) от более горячего к более холодному веществу.
В более позднем сочетании с законом сохранения энергии теория теплорода по-прежнему обеспечивает ценную аналогию для некоторых аспектов тепла, например, появления уравнения Лапласа и уравнения Пуассона в задачах пространственного распределения тепла и температуры. [ необходима ссылка ]
{{cite journal}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )