Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Устаревшая научная теория теплопередачи
Obsolete scientific theory of heat flow
Калорийная теория — устаревшая научная теория, согласно которой тепло состоит из самоотталкивающейся жидкости, называемой калориком, которая течет от более горячих тел к более холодным. Считалось также, что калорик — это невесомый газ, способный проникать в поры твердых и жидких веществ и выходить из них. "Калорийная теория" была вытеснена в середине XIX века механической теорией тепла, однако продолжала встречаться в некоторых научных публикациях, особенно в научно-популярной литературе, до конца XIX века.
The caloric theory is an obsolete scientific theory that heat consists of a self repellent fluid called caloric that flows from hotter bodies to colder bodies. Caloric was also thought of as a weightless gas that could pass in and out of pores in solids and liquids. The "caloric theory" was superseded by the mid 19th century in favor of the mechanical theory of heat, but nevertheless persisted in some scientific literature—particularly in more popular treatments—until the end of the 19th century.
Ранняя история
В истории термодинамики первоначальные представления о тепле были тесно переплетены с объяснениями горения. После того как в XVII веке Ж.Ж. Бехер и Георг Эрнст Шталь выдвинули теорию флогистона, флогистон стали считать веществом, составляющим тепло. Существует одна из версий калорийной теории, предложенная Антуаном Лавуазье. До калорийной теории Лавуазье публикации, касающиеся тепла и его существования вне роли агента химических реакций, были немногочисленны и сводились к работам Джозефа Блэка в журнале Рузье (1772), где упоминалась температура плавления льда. В ответ на работы Блэка, частные рукописи Лавуазье показали, что он столкнулся с тем же явлением фиксированной температуры плавления льда и отметил, что уже сформулировал объяснение, которое еще не опубликовал. Лавуазье разработал объяснение горения с точки зрения кислорода в 1770-х годах. В своей работе "Réflexions sur le phlogistique" (1783) Лавуазье утверждал, что теория флогистона противоречит его экспериментальным результатам, и предложил «тонкую жидкость», названную калорией, как субстанцию тепла. Согласно этой теории, количество этой субстанции постоянно во Вселенной и перетекает от более теплых тел к более холодным. Действительно, Лавуазье был одним из первых, кто использовал калориметр для измерения тепла, выделяющегося в ходе химической реакции. Лавуазье представил идею о том, что калорий – это тонкая жидкость, подчиняющаяся общим законам материи, но настолько ослабленная, что способна проникать сквозь плотные вещества без сопротивления; материальная природа калорий проявляется в изобилии, например, при взрыве. В 1780-х годах граф Румфорд полагал, что холод – это жидкость, названная «фригориком», основываясь на результатах эксперимента Пикте. Пьер Прево утверждал, что холод – это просто отсутствие калорий. Поскольку тепло в калорийной теории считалось материальной субстанцией, а значит, не могло быть создано или уничтожено, закон сохранения тепла был центральным постулатом. Теплопроводность объяснялась сродством между калорией и веществом, поэтому чем меньше калорий содержит вещество, тем холоднее оно, и тем сильнее оно притягивает избыток калорий от соседних атомов, пока не наступит калорийное и температурное равновесие. Химики того времени верили в самоотталкивание тепловых частиц как фундаментальную силу, что делало большую упругость калорий, не создающую отталкивающей силы, аномальным свойством, которое Лавуазье не мог объяснить своим критикам. Лавуазье объяснил, что излучение тепла связано с состоянием поверхности физического тела, а не с материалом, из которого оно состоит. Плохой излучатель, по мнению Лавуазье, – это вещество с полированной или гладкой поверхностью, поскольку его молекулы расположены в плоскости и плотно связаны друг с другом, создавая поверхностный слой калорий, который препятствует высвобождению тепла изнутри. Лавуазье объяснил, что количество калорий в веществе и, соответственно, упругость жидкости калорий напрямую определяют состояние вещества. Таким образом, изменение состояния было центральным аспектом химического процесса и необходимо для реакции, в которой заместители претерпевают изменения температуры. Это дополнение не только существенно скорректировало теоретическое предсказание скорости звука, но и позволило делать еще более точные прогнозы в течение почти столетия, даже по мере повышения точности измерений.
In the history of thermodynamics, the initial explanations of heat were thoroughly confused with explanations of combustion. After J. J. Becher and Georg Ernst Stahl introduced the phlogiston theory of combustion in the 17th century, phlogiston was thought to be the substance of heat. There is one version of the caloric theory that was introduced by Antoine Lavoisier. Prior to Lavoisier's caloric theory, published references concerning heat and its existence, outside of being an agent for chemical reactions, were sparse only having been offered by Joseph Black in Rozier's Journal (1772) citing the melting temperature of ice. In response to Black, Lavoisier's private manuscripts revealed that he had encountered the same phenomena of a fixed melting point for ice and mentioned that he had already formulated an explanation which he had not published as of yet. Lavoisier developed the explanation of combustion in terms of oxygen in the 1770s. In his paper "Réflexions sur le phlogistique" (1783), Lavoisier argued that phlogiston theory was inconsistent with his experimental results, and proposed a 'subtle fluid' called caloric as the substance of heat. According to this theory, the quantity of this substance is constant throughout the universe, and it flows from warmer to colder bodies. Indeed, Lavoisier was one of the first to use a calorimeter to measure the heat released during chemical reaction. Lavoisier presented the idea that caloric was a subtle fluid, obeying the common laws of matter, but attenuated to such a degree that it is capable of passing through dense matter without restraint; caloric's own material nature is evident when it is in abundance such as in the case of an explosion. In the 1780s, Count Rumford believed that cold was a fluid, "frigoric" after the results of Pictet's experiment. Pierre Prévost argued that cold was simply a lack of caloric. Since heat was a material substance in caloric theory, and therefore could neither be created nor destroyed, conservation of heat was a central assumption. Heat conduction was believed to have occurred as a result of the affinity between caloric and matter thus the less caloric a substance possessed, thereby being colder, attracted excess caloric from nearby atoms until a caloric, and temperature, equilibrium was reached. Chemists of the time believed in the self repulsion of heat particles as a fundamental force thereby making the great fluid elasticity of caloric, which does not create a repulsive force, an anomalous property which Lavoisier could not explain to his detractors. Radiation of heat was explained by Lavoisier to be concerned with the condition of the surface of a physical body rather than the material of which it was composed. Lavoisier described a poor radiator to be a substance with a polished or smooth surface as it possessed its molecules lying in a plane closely bound together thus creating a surface layer of caloric which insulated the release of the rest within. Lavoisier explained that the caloric quantity of a substance, and by extent the fluid elasticity of caloric, directly determined the state of the substance. Thus, changes in state were a central aspect of a chemical process and essential for a reaction where the substituents undergo changes in temperature. This addition not only substantially corrected the theoretical prediction of the speed of sound, but also continued to make even more accurate predictions for almost a century afterward, even as measurements became more precise.
Позднее развитие
В 1798 году граф Рамфорд опубликовал «Экспериментальное исследование об источнике тепла, возникающего при трении», отчет о его исследовании тепла, выделяющегося при изготовлении пушек. Он обнаружил, что повторное сверление пушки не приводит к потере её способности выделять тепло, а следовательно, и к потере калорий. Это указывало на то, что теплота не может быть сохраняющейся "субстанцией", хотя экспериментальные погрешности в его эксперименте широко обсуждались. Его результаты в то время не рассматривались как "угроза" теории теплоты, поскольку эта теория считалась эквивалентной альтернативной кинетической теории. Фактически, по мнению некоторых его современников, результаты способствовали углублению понимания теории теплоты. Эксперимент Рамфорда вдохновил работы Джеймса Прескотта Джоуля и других ученых в середине XIX века. В 1850 году Рудольф Клаузиус опубликовал статью, показав, что обе теории действительно совместимы, при условии замены принципа сохранения тепла, постулируемого сторонниками теории теплоты, принципом сохранения энергии. Однако, несмотря на совместимость, теории существенно различаются в своих следствиях. В современной термодинамике тепло обычно представляет собой передачу кинетической энергии частиц (атомов, молекул) от более нагретого тела к более холодному. В дальнейшем, в сочетании с законом сохранения энергии, теория теплоты по-прежнему предоставляет ценную аналогию для некоторых аспектов тепла, например, при выводе уравнения Лапласа и уравнения Пуассона в задачах о пространственном распределении тепла и температуры.
In 1798, Count Rumford published An Experimental Enquiry Concerning the Source of the Heat which is Excited by Friction, a report on his investigation of the heat produced while manufacturing cannons. He had found that boring a cannon repeatedly does not result in a loss of its ability to produce heat, and therefore no loss of caloric. This suggested that caloric could not be a conserved "substance", though the experimental uncertainties in his experiment were widely debated. His results were not seen as a "threat" to caloric theory at the time, as this theory was considered to be equivalent to the alternative kinetic theory. In fact, to some of his contemporaries, the results added to the understanding of caloric theory. Rumford's experiment inspired the work of James Prescott Joule and others towards the middle of the 19th century. In 1850, Rudolf Clausius published a paper showing that the two theories were indeed compatible, as long as the calorists' principle of the conservation of heat was replaced by a principle of conservation of energy. Although compatible however, the theories differ significantly in their implications. In modern thermodynamics, heat is usually a transfer of kinetic energy of particles (atoms, molecules) from a hotter to a colder substance. In later combination with the law of energy conservation, the caloric theory still provides a valuable analogy for some aspects of heat, for example, the emergence of Laplace's equation and Poisson's equation in the problems of spatial distribution of heat and temperature.