Труды Георга Рихмана о распределении теплоты (стр. 2 из 2)

Таким образом, ни М.В.Ломоносов, ни Г.-В.Рихман не были первопроходцами в этой области физики, ибо вопросами термометрии и теории теплоты еще до них занимались петербургские академики Г.Бильфингер, Г.Крафт, И.Делиль, И.Вейтбрехт, а также академические мастера-приборостроители. В 1744 г. Г.Крафт представил в академию труд «Различные опыты с теплом и холодом», в котором обобщил свои многолетние исследования и нашел эмпирическую формулу для определения температуры смеси двух различных по массе и по температуре количеств одинаковых жидкостей:

(формула 1)

где a и b – массы смешиваемых жидкостей, m и n – их температуры соответственно, 11 и 8 – коэффициенты. Крафт брал воду, холодную и горячую, температуру измерял по шкале Фаренгейта. Эти опыты, положившие начало научным исследованиям по калориметрии, были успешно продолжены Г.-В.Рихманом. Его труды вошли в историю физики в качестве основополагающих.

В 1744 г. Рихман представляет в академию труд «Размышления о количестве теплоты, которое должно получаться при смешивании жидкостей, имеющих определенные градусы теплоты». Однако молодому ученому на академическом собрании были сделаны серьезные замечания, и он провел еще одно исследование, подтверждающее справедливость выведенной им формулы, которое и представил в академию в 1748 г. Рихман убедительно доказал, что формула Крафта для определения температуры смеси применима только для случая смешивания двух малых объемов воды и что она неточна. Проведя огромное число тщательно выверенных опытов, Рихман получил довольно точную формулу (вошедшую в историю физики под его именем) для определения температуры смеси произвольного числа разных порций одной и той же жидкости разной температуры:

(формула 2)

где m1, m2 ... mk – массы смешиваемых жидкостей, t1, t2 ... tk – соответствующие им температуры. Тогда понятия о теплоемкости тела еще не было, так что надо было обладать незаурядной интуицией, чтобы вывести уравнение, точность которого, с современной точки зрения, определяется лишь степенью зависимости теплоемкости от температуры.

Рихман первым использовал уравнение теплового баланса. И хотя это уравнение было составлено для температуры смеси различных количеств одной и той же жидкости, оно в первом приближении выражало правильное распределение теплоты при смешивании любого числа порций жидкости. Однако рассчитанные температуры всегда получались больше измеряемых. Разницу ученый относил за счет потерь тепла в окружающей среде. Немаловажное значение имеет выдвинутое им положение о том, что чем больше масса тела, тем меньше расхождение с расчетными формулами.

Используя формулу Рихмана, физики уже в XVIII в. успешно освоили новые методы калориметрических исследований, и вскоре английский физик и химик Дж.Блэк и независимо от него шведский физик И.Вильке открыли «скрытую теплоту плавления льда». На основе этой формулы был разработан способ смешивании жидкостей для определения их теплоемкостей. Этот способ также был назван именем Рихмана и до сих пор является одним из основных при определении теплоемкости, удельной теплоемкости и других теплофизических величин: из школьного курса физики известно, что удельная теплоемкость вещества рассчитывается по формуле

(формула 3)

где Q – количество теплоты, которое необходимо передать телу массой m, чтобы повысить его температуру от t1 до t2.

Научные публикации Рихмана говорят о том, что он понимал разницу между теплотой и степенью нагретости – температурой; понимал, что теплота не может быть измерена градусами. «Часто происходит ошибка, – писал ученый, – если о состоянии воздуха, с точки зрения его теплоты, судят по градусу, показываемому термометром». Позже, в 1855 г., его гипотезу доказал немецкий математик и физик Иоганн Ламберт. При исследовании металлов Г.-В.Рихман установил, что «наибольшую способность удерживать теплоту имеют латунь и медь, затем идет железо, после чего олово и свинец». Эти важные для науки о теплоте исследования он проводил совместно с Ломоносовым. Нагревая различные металлы на одно и то же число градусов, Рихман обратил внимание на еще одну закономерность: время нагрева было различно. По его мнению, это зависело от способности тел принимать или отдавать тепло, т.е., говоря современным языком, от их теплоемкости. В ходе исследований была составлена таблица, в которой металлы располагались не по теплопроводности, а в основном по их теплоемкости. Спустя несколько лет шведский физик Вильке назовет эту физическую величину относительной теплоемкостью.

Большое значение для развития учения о теплоте имели работы ученого по исследованию самопроизвольного процесса переноса тепла из более нагретой среды к менее нагретой путем конвекции и теплопроводности. В первой серии опытов Рихман исследовал закономерность охлаждения воды, заключенной в стеклянный сосуд, который подвешивался на тонком шнуре и соприкасался только с воздухом, имеющим постоянную температуру. В других сериях он изучал влияние на теплообмен величины и формы поверхности охлаждаемой жидкости, а также ее объема. Охлаждение жидкости исследовалось как в стационарных условиях, так и при тепловом потоке, изменяющемся во времени. Ученый заметил, что в сухом неподвижном воздухе охлаждение жидкости происходит иначе, чем во влажном. Анализируя проведенные опыты, Рихман пришел к выводу о том, что теплообмен между телами является сложным физическим процессом, который зависит от температуры тел, поверхности нагрева или охлаждения, объема, а также от способности тел удерживать в себе теплоту. Подводя итоги своим экспериментам, он сделал вывод, что падение температуры нагретого тела на Dt при свободном его охлаждении в воздухе прямо пропорционально поверхности этого тела F, разности температур тела и среды (t – t1), времени Dt и обратно пропорционально объему тела V:

(формула 4)

Если через v обозначить скорость охлаждения тела, т.е. число градусов, на которое бы понизилась температура тела за бесконечно малый промежуток времени Dt, и ввести коэффициент пропорциональности с, имеющий размерность скорости движения, то закон охлаждения тел, к которому пришел Рихман, можно записать так:

(формула 5)

В своих последующих работах он отмечал, что понижение температуры нагретых тел, соприкасающихся со смежными холодными средами, происходит приблизительно в логарифмической зависимости. Только в 1751 г. ученый прочитал небольшую заметку «О шкале степеней тепла и холода», написанную Исааком Ньютоном пятьдесят лет тому назад. В ней были не только описаны различные опыты по охлаждению тел, но и на их основе сделаны выводы о том, что количество теплоты «в заданное время» отдаваемое нагретым железом «смежным с ним холодным телам» пропорционально «всей теплоте железа». При этом указывалось, что «если времена охлаждения принимать равными», то понижение температуры нагретого железа происходит в геометрической прогрессии и может быть найдено «легко по таблице логарифмов». Эта установленная Ньютоном закономерность вошла в науку как закон охлаждения тел. Тем не менее исследования Рихмана по конвективному теплообмену и открытый им закон были выдающимся вкладом в развитие теплофизики и получили самую высокую оценку в мировой науке.

Развитие метеорологии и гидрологии привели Г.Рихмана к мысли вплотную заняться изучением процессов, происходящих при испарении воды. Впервые он сделал попытку связать теорию испарения с законом охлаждения тел. Для своих опытов ученый использовал открытые цилиндрические сосуды, имеющие различные поверхности испарения, заполняя их на различную глубину водой. Количество испарившейся жидкости за определенный промежуток времени определялось по разности веса объема исходной и оставшейся воды. На основе многочисленных опытов Рихман установил, что испарение воды зависит от разности площадей поверхности, от массы и глубины воды в сосуде. Он также показал, что испарение всегда сопровождается понижением температуры воды.

С целью оснащения отечественных метеорологических станций новыми и точными теплоизмерительными приборами Рихман создал гидравлический испаритель для точного измерения количества испаряемой воды, метеорологический термометр для измерения средней температуры за сутки, барометр особой конструкции.

Список используемой литературы

1.Дорфман Я. Г. Выдающийся русский физик Г. В. Рихман и его роль в истории науки об электричестве. Электричество, № 8, 1953, с. 61—67.

2.Дягилев Ф. М. Из истории физики и жизни ее творцов. М.: Просвещение, 1986.

3.Елисеев А. А. Георг Вильгельм Рихман. М.: Просвещение, 1975.

4.Кравец Т. П. и Радовский М. И., К 200-летию со дня смерти академика Г. В. Рихмана. Успехи физических наук, 1953, т. 51, вып. 2.

5.Цверава Г. К. Георг Вильгельм Рихман, 1711—1753. Л.: Наука, 1977.