Атомы и молекулы


Всякий взглянувший в ночное небо может невооружённым взглядом обнаружить множество объектов от относительно большого диска Луны до далёких скоплений мириад звёзд, сливающихся в туманную дымку. Это мегамир с его огромными расстояниями и массами.
Пределы макромира, умещающиеся в масштабах нашей планеты вообразимы более легко, т.к. человек привык к таким масштабам и свободно в них ориентируется. Атомы и молекулы составляют микромир, масштабы которого тоже не соизмеримы с привычным макромиром, но в меньшую сторону.
Примерно 26 веков назад люди начали задавать вопросы о строении окружающего их мира и получать более или менее правильные ответы. Если учесть, что полных на эти вопросы ответов нет до настоящего времени, то смелость мысли Древних Греков их последовательность заслуживают самых восторженных похвал.
Упоминавшийся ранее Демокрит (460 - 370 гг. до с.л.) сделал существенный вклад в создание картины микромира. Однако такие попытки, может менее успешные, делали и до него.
Учитель всех учителей - Фалес милетский (625 - 547 гг. до с.л.) считал, что в этом мире всё состоит из воды, Анаксимен (584 - 525 гг. до с.л.) полагал, что мир состоит исключительно из воздуха, а Гераклит Эфесский (544 - ?) главенствующую роль приписывал огню.
Да, да Гераклит действительно считал огонь единственной первоосновой (строительным кирпичиком из которого построено всё остальное). Со временем, естественно, подобные упрощения сути материи заставили подобные взгляды пересматривать.
Материальный мир был не так прост. Эмпедокл (490 - 430 гг. до с.л.) апеллировал уже к четырём основным элементам, это были: земля, вода, воздух и огонь. Одним словом, всё самое главное, что окружало человека и без чего он, по мнению древних мудрецов, существовать в этом прекрасном земном мире не мог.
Эстафету любомудрия перехватил Аристотель, поучавший, что всё окружающее людей на плоской неподвижной Земле состоит из одного и того же вещества, которое, в зависимости от условий, может принимать различные свойства.
По Аристотелю фундаментальных элементов тоже было четыре: холод, тепло, влажность и сухость, однако смысл их был более философичен и туманен. Если сухое и холодное соединить, то непременно возникнет земля. При соединении горячего и холодного непременно должен воспроизвестись огонь. Влажное и холодное синтезировалось в воду. Соединяя влажное и горячее можно получить воздух.
Естественно и при такой философской зауми объяснить всё многообразие мира не удавалось, на помощь привлекалась извечная палочка-выручалочка в виде «божественной квинтэссенции».
Последнее обстоятельство особенно пришлось по вкусу ранним и средневековым теологам, что, собственно, и обеспечило теориям Аристотеля необоснованно длинную во времени жизнь.
Как это происходило в механике, астрономии и других областях знаний, которые освятил своим вниманием Аристотель, мало кто отваживался ставить под сомнение его умозаключения.
На стаже стоял мощный репрессивный аппарат всемогущей христианской церкви. Иных изгоняли из цивилизованного мира, а иных попросту жгли на кострах инквизиции. Джордано Бруно, например.
Однако была неугомонная когорта любознательных и смелых людей - алхимиков, которые, несмотря на религиозный мораторий, ставили перед собой запретные вопросы и находили на них правильные, как им казалось, ответы.


Рис. 2.13. Алхимики
Алхимики (рис. 2.13) установили, что тела могут превращаться в другие и не по воле всевышнего. Руды при плавлении превращались в металлы. При совместном нагревании меди и олова получался новый металл - бронза, свойства которого совершенно не походили ни на медь, ни на олово.
Это обстоятельство вдохновляло тружеников алхимии на смелые мечты. Они хотели найти способы превращения распространённых веществ в вожделенное золото или на худой конец в «философский камень», дающий владельцу славу, богатство, силу и продолжительную молодость.
Золота, как и следовало ожидать, алхимики не получили, хотя ставили свои бесчисленные эксперименты в течение нескольких веков на просторах Европы, Китая, Ближнего Востока.
Стремясь постичь принципы синтеза элементов, несмотря на неудачи с золотом и «философским камнем» как и с «эликсиром молодости» алхимики открыли много методов и средств трансформации одних тел в другие, тем самым, обеспечив приговор со стороны официоза себе и своей любимой науке.
Божественное то начало испарялось вовсе. Главное - продвинутые алхимики поняли, что четырёх Аристотелевых элементов явно маловато для получения всего многообразия веществ, с которыми им приходилось встречаться.
Многие вещества оказались не разлагаемыми ни на холод, ни на влажность и уж тем более ни на сухость. К таким веществам относились: ртуть, свинец, серебро, золото, сурьма и многие другие. Список элементарных составляющих требовалось расширять, не разлагаемые вещества было необходимо причислять к составным элементам мира.
В Эпоху Возрождения стали появляться исследования, имеющие более серьёзные теоретические обоснования, нежели у алхимиков. В 1668 г. английский учёный Роберт Бойль (1627 - 1691 гг.) обнародовал своё откровение «Скептический химик, или сомнения и парадоксы относительно элементов алхимиков».
На основе анализа многочисленных средневековых публикаций алхимиков Бойль приходит к выводу, что элемент - это вещество, составляющая часть тел.
Элементов по Бойлю было тоже не много, не более полутора десятков, в составе структурных составляющих вещества были по-прежнему и экзотические, такие как огонь, ему тоже приписывалась самостоятельность.
Лавуазье (1743 - 1794 гг.), французский учёный - универсал, к списку Бойля добавил новые элементы, развенчал как элементарную, субстанцию огнь, но ввёл новые абстракционизмы: теплород и световое вещество.
К концу XVIII века в списке основ мироздания уже насчитывалось 35 элементов, правда, действительных среди них насчитывалось только 23. Среди реальных элементов были и такие как едкий натр и едкий калий, которые, как оказалось, не являются элементарными.


23
- = 1,3-10
2
р              na
3 -10-
В середине XIX в учёных фолиантах обсуждался список из 50 неразложимых веществ. Прорыв в осмыслении структурного строения наступил после открытия Д.И. Менделеевым своего знаменитого периодического закона, используя который можно было предсказывать ещё не открытые элементы.
В начале XX века учеными уже были установлены более 80 элементов и было известно, что все делимые вещества состоят из элементарных. Началось планомерное погружение в микромир. Было установлено, что простое, не разлагаемое вещество состоит из атомов одного сорта, из атомов одного химического элемента. Сложные вещества имеют в своём составе два или более простых химических элементов.
Например, молекула воды, которую в древности многие мыслители считали неделимым химическим элементом (рис. 2.14) состоит из атомов двух сортов: одного атома кислорода и двух атомов водорода.
После Демокрита и иже с ним, атомы в научную терминологию ввёл английский учёный Джон Дальтон (1766 - 1844 гг.), который в своих работах показал, что только на атомном уровне можно объяснить химические закономерности превращения веществ.
Кроме всего прочего, исследователями было обнаружено, что с точки зрения структуры вещества молекулы следует делить на два сорта. На физические и химические молекулы. Поясним в чём тут дело.
Если растворять в воде сахар, что вы делаете по несколько раз на дню, то в воде будут плавать молекулы сахара, вредного для организма, но вкусного органического вещества. А если такое же проделать с солью, NaCl, то молекулы вещества, растворившись в воде, распадутся на составляющие - на натрий и хлор.
Органические молекулы, как оказалось, в большинстве подобных экспериментов остаются сами собой, потому что атомы образующие молекулу вещества достаточно прочно связаны друг с другом. О молекулах неорганических веществ можно говорить только в химическом смысле. В парах веществ молекулы тоже существуют как самостоятельные образования.
Чтобы оценить масштабы микромира приведём такой показательный на наш взгляд пример. Тренированный человек может увеличить объём своих лёгких при вдохе примерно на V = 5 л. Принимая плотность атмосферного воздуха при нормальных условиях р = 1,3 кг/м3 можно определить массу вдыхаемого воздуха m = pV = 6,5 • 10-3 кг              . Далее, воспользовавшись понятием количества вещества v,
введённого в обиход уравнением состояния можно оценить количество молекул Nx, содержащихся в найденной массе воздуха m Nx
XT mNA N =—A
x
P
6,5 -10-3 • 6 -1023
моль 1 - число Авогадро. Оценим далее массу одной молекулы
m = 6,5 -10-3              1П_26
mn = — =              =- = 5 -10 кг .
0 Nx 1,3 -1023
где v - количество вещества, измеряемое в молях, р = 3-10 кг/моль - молярная масса воздуха при нормальных условиях (р0 = 10 5 Па, Т0 = 273,16 К), NA = 6-10

Масса молекул воздуха не является на микромире уникальной, молекулы всех известных химических элементов имеют соизмеримо малые массы. В табл. 2.1 приведены данные о массах атомов и молекул широко распространённых элементов
Таблица 2.1


Атом

m0-10 27 кг



Молекула

m0-10 27 кг

1

Азот

23,2


1

Азот

46,5

2

Алюминий

44,8


2

Аммиак

28,3

3

Водород

1,67


3

Вода

29,9

4

Гелий

6,64


4

Водород

3,3

5

Железо

92,8


5

Воздух

48,1

6

Золото

327


6

Г идроксид натрия

66,4

7

Кислород

26,6


7

Карбонат цинка

208

8

Кремний

46,6


8

Кислород

53,2

9

Медь

105


9

Метан

26,6

10

Натрий

38,1


10

Нитрат серебра

282

11

Ртуть

333


11

Озон

80

12

Свинец

344


12

Оксид алюминия (III)

169

13

Сера

53,2


13

Оксид ртути (II)

360

14

Серебро

179


14

Оксид углерода (II)

46,5

15

Углерод

19,9


15

Оксид углерода (IV)

73

16

Уран

395


16

Оксид урана (IV)

448

17

Фтор

31,5


17

Сульфат меди

265

18

Хлор

58,9


18

Сульфат свинца

503

19

Цинк

109


19

Хлорид натрия

97

Как видно из приведенных данных, массы молекул и атомов не разительно отличаются от массы молекулы воздуха, т.е. это весьма малые величины в масштабах нашего привычного килограммового мира.
Так, например, земля тяжелее яблока средних размеров во столько же раз во сколько атом водорода легче самого яблока. Химиками, в этой связи, было предложено массу атомов и молекул исчислять в специальных единицах массы, так называемых, атомных единицах массы.
В качестве эталона первоначально использовалась масса самого лёгкого элемента - водорода, однако позже договорились за эталон взять двенадцатый изотоп углерода 12С и относительные массы атомов исчислять от 1/12 массы этого атома.
Атом азота в таком исчислении имеет относительную массу 14; кислорода -16; хлора - 35,5; золота - 197. Таким образом, единицу атомной массы можно представить в следующем виде
mA = (1,66043 ± 0,00031) 10-27кг              .
В 1971 г. XIV Генеральной конференцией по мерам и весам в систему СИ была введена новая единица - количество вещества, единицей измерения которой является моль.

Моль является количеством вещества, содержащим такое же количество структурных элементов (молекул, ионов, атомов, электронов др. частиц), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода 12С. Экспериментально это значимое для молекулярной физики число NA определил итальянский физик и химик Аво- гадро (рис. 2.15)
Na = 6,02213 • 1023 моль-1              .
Удобство количества вещества как единицы измерения заключается в том, что один моль любого вещества содержит в своём составе Na структурных элементов.
Число Авогадро величина обратная атомной единичной массе, измеренной в граммах т.е.


Рис. 2.15. Амадео Авогадро
1
23
= Na =-
= 6,022 -10
-г-24
1,66043 -10-
Массу одного моля называют молярной массой и определяют численно как
m.
M = na
-mn
—m(12 c) 12 v '
Дробь в уравнении называется относительной молекулярной массой вещества
Mr = —Jk              ,
m(12 c)
где Мх - масса молекулы или атома искомого вещества. Относительная молекулярная масса безразмерна, это видно из уравнения. Молярная же масса, будучи выраженной, в граммах на моль станет численно равной относительной молекулярной массе, однако следует не забывать, что молярная масса имеет размерность кг/моль, а относительная масса - безразмерная величина.
Для оценки характерного размера молекул лучше взять вещество в твёрдом или жидком состоянии, потому что молекулы в них более плотно упакованы, поэтому если мы будем считать, что молекулами в виде сфер заполнен весь объём образца, то ошибка в расчётах будет меньше.
Наиболее просто такую оценку провести на примере воды, которая обладает молярной массой р(^О) = 18-10 - 3 кг/моль. Учитывая, что плотность воды равна р(Н2О) = 103 кг/м3, определим объём занимаемый одни молем воды Vp = 18-10 - 6 м3. В одном моле любого вещества, как известно, содержится NA молекул, поэтому на одну молекулу приходится объём
-6
Vu.              18              -10
d 0 (^О) = ^V0 = 3,1-10
о л „-29 3
= 3-10 м ,
10
Ч, =
м.
23
N
6-10

m
P’
Чтобы убедиться, что порядок размеров молекул для других веществ имеет незначительный динамический диапазон, оценим размер молекул свинца, имеющего молярную массу p(Pb) = 207,2 10 - 3 кг/моль и плотность p(Pb) = 11,3-103 кг/м3. Масса одного моля свинца определится из следующих соображений
^ m(Pb) = 1моль - p(Pb) = 0,2 кг              .
Определим далее объём, занимаемый одним молем свинца

Vp p(Pb) Оценим размер молекулы свинца

d 0 (Pb) =
-4 = 3,1 -10-10м . N
Подтверждением выполненных оценочных расчётов могут служить данные табл. 2.2, где приведены справочные данные о размерах молекул
Таблица 2.2


Вещество

d0, нм


Вещество

с1ц,нм

1

Азот (N2)

0,32

6

Оксид серы 1V

0,34

2

Вода (H2O)

0,30

7

Оксид углерода^

0,33

3

Водород (H2)

0,25

8

Оксид углерода II

0,32

4

Г елий (He)

0,20

9

Хлор (Cl2)

0,37

5

Кислород (O2 )

0,30

10

Хлороводород

0,30

Атомы, образующие молекулы, расположены друг от друга на расстояниях, соизмеримых с размерами атомов. В табл. 2.3 приведены межатомные расстояния в молекулах некоторых веществ
              Таблица              2.3


Вещество

b0, нм


Вещество

Ь0,нм

1

Азот (N2)

0,11

6

Ртуть (He2)

0,33

2

Водород (H2)

0,07

7

Сера (S2)

0,19

3

Г идрид натрия (NaH)

0,19

8

Фосфор (P2)

0,19

4

Кислород (O2 )

0,12

9

Углерод (C2)

0,13

5

Натрий (Na2)

0,31

10

Вода (H2O)

0,109
0,087


Повседневный опыт указывает на то, что два тела, холодное и горячее, будучи приведёнными в соприкосновение с течением времени приходят в состояние теплового равновесия. Поскольку одно из тел нагревается, а другое охлаждается, то можно сделать вывод об энергетическом обмене.
Такие понятия как «более холодное» или « менее нагретое» удовлетворяют ситуации только на бытовом уровне, да и то не всегда. Вместе с тем понятие температуры появилось в физике на основе чувственных восприятий.
Качественное восприятие температуры нашими органами чувств позволяет фиксировать относительное тепловое состояние. Но эти ощущения часто носят весьма субъективный характер, часто не отражающие действительности.
Пить чай из алюминиевой кружки кажется менее комфортно, чем из фарфоровой чашки, даже при одинаковой температуре напитка. С другой стороны, человеческий организм спокойно выдерживает в течение нескольких минут пребывание в сауне с температурой в 100 0С и более.
Даже у самых отчаянных не возникнет желание, вместе с тем, сунуть палец в кипящую воду, хотя температура воды одинакова с сауной. Субъективные восприятия температуры даже в быту обладают информативностью в достаточно узком динамическом диапазоне.
Родители грудных детей, готовя ванну для малыша, «измеряют» температуру погружением в воду локтевого сгиба, который, оказывается, может «работать термометром» с точностью ± 0,1 0С. При всех достоинствах и простоте перцепционного (чувственного) метода восприятия температуры, он слабо пригоден для количественных характеристик термодинамических и молекулярных процессов.
Первыми, кому в практической деятельности потребовалось оперировать с понятиями тепла и холода были древние врачи, занятые приготовлением лекарственных снадобий. Врачам была нужна шкала температурной градации, в частности градации температуры человеческого тела.
Врачеватели заметили, что температура тела является индикатором состояния организма. Холод по их понятиям характеризовался влажностью, а теплота тела - сухостью. Галеном во II в. с.л. была введена шкала, состоящая из 12 температурных режимов.
Чтобы оценить температуру количественно необходимо привлечь к этому процессу какой-нибудь подходящий физический процесс, ход которого бы зависел от температуры, желательно линейно.


Судя по историческим публикациям первому, кому пришла такая идея Филону Александрийскому, жившему в Древней Греции в районе 250 г. до н.э.[8]. Филон опубликовал обширный трактат «Механика», где в разделе «Пневматика» описал устройство и принцип действия первого термоскопа (рис. 2.16).
Термоскоп представлял собой две              ^мс-              “              ^              Термоскоп              Филона
связанные трубкой сферы, одна из кото-

рых была «пустой», а вторя частично заполнена водой. При помещении шара а на солнце из трубки во втором шаре начинают появляться пузырьки воздуха. Если затем поместить «пустой» шар снова в тень, то жидкость частично заполняет трубку.
Проводя такие опыты Филон пришёл к выводу, что объем газа зависит от температуры, хотя до написания уравнения Клапейрона - Менделеева было ещё далеко, тем не менее. Древние Греки всех удивляют соей прозорливостью.


Следующим был Герои, опять же Александрийский. Он упростил термоскоп Филона, заменив сосуд с водой стеклянной трубкой с капелькой окрашенной жидкости (рис. 2.17). При нагревании или охлаждении воздуха в сферической колбе, капелька пере- Рис. 2.17. Термоскоп              мещалась по трубке.
Для получения полно-
Герона Александрийского              ценного измерителя температуры осталось
сделать последний шаг, проградуировать перемещение капли, совместив её движение со шкалой.
Количественная история науки о теплоте началась с Г алилео Г алилея. Г алилей (1564 - 1642 гг.) был одним из первых, кто писал о механической природе тепла. Во времена Галилея в небе Европы появились две кометы . Интерес простого люда к этим небесным явлениям был огромен.
По поводу природы комет в обществе разгорелась нешуточная дискуссия, заставившая Галилея взяться за перо. Он, в отличие, от простолюдинов понимал, что свечение небесных тел связано с их нагреванием в результате механического взаимодействия со средой.
Во времена Галилея с измерениями любых физических величин была большая неопределённость. Трудности возникали даже при измерении длин, объёмов и промежутков времени. Каждая, уважающая себя местность имела свои эталоны веса, длины и времени, сравнивать которые было делом более чем хлопотливым.
Время измеряли гномонами (солнечными часами) и клепсидрами (водяными часами), были ещё песочные часы, но эти «хронометры» не обеспечивали измерения, как длительных промежутков времени, так и коротких интервалов.
Галилей придумал самый первый и простой измеритель. Наблюдая колебания паникадила в соборе в студенческие времена, он измерял период качания периодом собственного пульса. Этот же «секундомер» он использовал при определении величины уравнения свободного падения. Бросая скреплённые цепочкой чугунные ядра и равноразмерные деревянные шары с Пизанской башни, наклонное положение которой как будто специально было для этого предназначено, Галилей со своими ассистентами - студентами, обнаружил, что частота пульса представляется грубым инструментом для измерения малых промежутков времени. Пытаясь «продлить» свободное падение, Галилей стал катать шары с наклонных плоскостей с малыми углами наклонами к горизонту.
После совершенно блестящих механических экспериментов, Галилей осознал, что начинать термические исследования нужно с создания количественного измерителя температуры, попросту говоря, термометра.
Итальянский врач, физиолог и анатом С. Санторио (1561 - 1636 гг.) начал развивать биомеханический подход при изучении живых организмов. Профессорствуя в университетах Падуи, Польши, Венгрии и Хорватии при исследовании обмена веществ у человека изобрёл ряд оригинальных измерительных приборов, в частности, первый ртутный термометр.
До этого использовался термоскоп Галилео Галилея (рис. 2.7), который представлял собой сосуд 1, с водой, с погруженной частично заполненной жидкостью тонкой стеклянной трубкой 2, заканчивающейся расширительным объёмом 3. Идея Г алилея заключалась в том, что его прибор позволял судить о температуре по изменениям физического состояния вспомогательных сред, в частности, по изменению объёма воздуха


Рис. 2.18. Галилей и его термоскоп
Первые образцы термоскопов Галилея были не надёжно изолированы от атмосферного давления, поэтому меняли свои показания в зависимости от колебаний внешнего давления. Действие термоскопа подчинялось уравнению Клапейрона - Менделеева, которое во времена Галилея ещё не было написано, но как видно уже вовсю использовалось.
Такое положение вещей при изучении температуры встречается достаточно часто. Первым кто придумал использовать вместо воды и воздуха ртуть был С. Санторио.
Описание своей идеи и результаты испытаний биомеханик отправил на рецензию Галилею, который повёл себя более чем странно. Он обвинил врача в плагиате, заявив, что идея использования ртути принадлежит именно ему, хотя официальных письменных заявлений по этому поводу никогда не делал.


Рис. 2.19. Конструкции первых термометров
Как бы там ни было, но ртутный термометр появился и получил широчайшее распространение (рис.
2.19) при исследовании разнообразных физических и физиологических процессов.
Появление такого универсального инструмента позволило установить целый ряд фундаментальных свойств окружающего мира.
Спустя всего 50 лет, после появления первого термометра, который от термоскопа отличался наличием градуированной в определённых единицах шкалы, шкалы начали градуировать, иногда весьма экзотическим образом.
Был такой период в истории молекулярной физики и термодинамики, когда каждый уважающий себя исследователь предпочитал использовать температурную шкалу имени себя любимого.
По первости температуру «измеряли» по высоте столбика воды или ртути, деления наносились произвольным образом. В 1724 г. стеклодув Габриэль Фаренгейт установил, что температура фазовых переходов воды не изменяется, при постоянстве внешнего давления.
Родилась идея использовать эти температурные точки в качестве реперных, т.е. с их помощью проградуировать температурную шкалу. Точка таяния льда по этой шкале соответствовала температуре + 32 0F (при нормальном атмосферном давлении), вода по этой шкале закипала при температуре + 212 0F, причём один градус определялся как 1/180 полного размаха.
Нулевое значение температуры Фаренгейт определил как точку замерзания смеси воды льда и нашатыря, за привычные нам 100 0F была принята нормальна температура человеческого тела, хотя как потом выяснилась эта температура соответствует 97,9 0F.
На уровне слухов известно, что эталоном нормальной температуры послужила жена Фаренгейта, которая на момент измерений была несколько нездорова, отсюда и погрешность в 2,1 0F Эти две постоянные температурные точки дали возможность прокалибровать термоскоп, что и превратило его в термометр.


Спустя некоторое время, в 1742 г. шведский исследователь Цельсий (рис. 2.20) рационализировал все экзотические изыски Фаренгейта и предложил температуру таяния льда принять за 100 0С, а за нулевую - температуру кипения воды 100 оС. Поработав с этой шкалой, Андерс выяснил, что более уместно выбранные реперные точки поменять местами. Оказалось, что это удобно и практично.
Кроме того, такой подход обеспечивал сопоставление измеряемых температур вне зависимости от места изготовления и градуировки термометра. Нагреть воду до кипения или охладить её до замерзания было делом в то время совсем не трудным.
Рис. 2.20. Цельсий              Однако, несмотря на изобретение термометров
различных конструкций, практически, три сотни лет толком не знали, что измеряли, только в конце XIX в. фундаментальное во всех отношениях понятие температуры обрело теоретический смысл, обросло соответствующими уравнениями, которые не противоречили существующим теориям мироздания.
Не следует думать, что только понятие температуры рождалось долго и в муках. До настоящего времени современный научный организм так и не разрешился теориями, из которых бы стало ясно, откуда берётся элементарный электрический заряд и гравитация. Не зная, по большому счёту, что такое электрический ток, сколько всего с ним связанного придумали. А электричество это основа и перспективы современной цивилизации. Так, что ситуация с понятием температуры скорее правило в современном естествознании, чем исключение.
Тернистый путь познания сути температуры находился под постоянным воздействием следующих обстоятельств: с помощью случайно выбранного свойства веществ изменять время от времени свой объём, и посредствам вещества, оказавшегося под рукой, которое можно было заливать в трубки (ртуть), по шкале, размеченной между двумя характерными состояниями другого вещества - воды (не ртути), измеряли некую физическую величину.
По вполне объяснимым причинам слёту дать определение температуры не получилось. Толком никто не понимал, что это такое и от чего «это» зависит, чем определяется. Установить взаимосвязь между «этим» и высотой столбика нагретой ртути было весьма затруднительно.
Один из первых вопросов, который задавали себе учёные: « Если ртуть заменить веществом, находящимся в газообразном или твёрдом состоянии, то, что при этом произойдёт?».
Пробовали. Термометры давали разные показания. Особенно удивила всех вода. В передах температур 0 - 40С, при нагревании фиксировалось уменьшение температуры. Фантастика! Однако несмотря на многочисленные непонятки, человечество пройдя через понятия флогистон и теплорода, определило таки, что есть температура и как её можно измерять.
Оказалось, что для целей измерения температуры, строго говоря, подходит любой физический параметр, для которого установлена однозначная зависимость от температуры
С измерениями температуры были связаны ещё и чисто метрологические трудности. Если имеется тривиальная линейка, градуированная в миллиметрах и сантиметрах, то ей можно измерять всё, что крупнее 1 мм, хоть непосредственно расстояние до г. Москвы от Урюпинска.
Возможности термометра любого типа сильно ограничены температурным диапазоном, в котором зависимость используемого параметра сохраняется в удобоваримых пределах. Например, чтобы измерять ртутными термометрами высокие температуры необходимо создавать в герметичной капсуле повышенное давление.
В конце концов, ученые пришли к выводу, что самым подходящим веществом для измерения температуры по теоретическим термодинамическим показателям является идеальный газ.
Термометр на его основе был бы самым точным, но есть один пустячок на пути практической реализации этой идеи, идеального газа в природе нет. Определение газа было введено в оборот Йоханисом ванн Гельмонтом в 1620 г. Слово «газ» фламандского происхождения и обозначает понятие, сходное с хаосом.
Наряду с температурой немаловажное значение для исследования физических свойств окружающего мира, термодинамических, в частности, имеет давление. При разговоре об изменении температуры мы постоянно вынуждены были поминать давление.
Атмосферное давление, как известно, тесным образом связано со свойством воздуха быть тяжёлым. А это было понято не сразу. Ещё во времена Аристотеля были изобретены насосы. Сам Аристотель объяснял подъём воды за поршнем тем, что природа не терпит пустоты и стремится при всяком удобном случае пустоту заполнить.
Дело в том, что древние атомисты принимали воздух в качестве одного из начал мира, считая эту субстанцию более духовной, нежели материальной. Такое объяснение продержалось в науке до времён Галилео Галилея, как впрочем, и все теоретические воззрения Аристотеля, включая геоцентрическую систему мира.
Практика, однако, подтачивала существовавшие в незыблемости теоретические основы, созданные давным-давно. Так, например, при строительстве фонтанов во Флоренции инженеры столкнулись с тем, что вода более чем на 34 фута (1 фут = 12 дюймам = 0,305 м), т.е. выше 10 м уровень воды насосами поднять не удавалось. Инженеры и строители ударили челом к непререкаемому авторитету, Галилео Галилею. Почему так, если природа по Аристотелю не терпит пустоты?
Маститый учёный по этому поводу съязвил, заметив, что вероятно природа после 34 футов перестаёт бояться пустоты. Следует заметить, что Галилей, в силу естественных обстоятельств не объявляя об этом, всю свою сознательную жизнь боролся с теоретическим наследием Аристотеля, опровергая открытыми им законами, насаждаемое церковью теоретическое наследие древнего грека.


Рис. 2.21. Э. Торричелли
Галилей поручил своим ученикам Торричелли (рис. 2.21) и Вивиани разобраться с этим «парадоксом». Торричелли (1608 - 1647 гг.) провёл серию лабораторных экспериментов, в результате которых выяснил, что ртуть за поршнем поднимается ещё на меньшую высоту, чем вода.
Вывод напрашивался сам собою. Ртуть в 13 раз плотнее воды и высота её подъёма за поршнем тоже в столько же раз меньше чем у воды. Дальше Торричелли и его ассистент Винченцо Вивиани провели совершенно простой и гениальный опыт.
Они взяли тонкую стеклянную трубку метровой длины с запаянным концом, заполнили её ртутью, зажали пальцем свободный конец трубки и перевернули её в чашку с налитой ртутью и убрали палец. Ртуть вылилась из трубки частично. Столбик ртути около полуметра высотой трубку не покинул. Торричелли и его коллега рассудили так: если ртуть не вылилась вся, значит, имеется некая сила, которая уравновешивает силу тяжести столбика ртути, сила могла быть обусловлена только весом столба воздуха над поверхностью жидкого металла в чашке.


СХЕМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО РТУТНОГО БАРОМЕТРА
Вот как об этом повествует сам Торричелли 11 июня 1644 г.: «Нами было изготовлено много стеклянных пузырьков с трубкой длиною в два локтя; мы наполняли их ртутью, придерживая отверстие пальцем; когда затем трубки опрокидывали в чашку с ртутью, они опоражнивались, но лишь отчасти: каждая трубка оставалась наполненной ртутью до высоты локтя и одного пальца».
Так состоялось великое от-
„              ,              ,,              у,              ,              -.              крытие атмосферного давления
Рис. 2.22. Открытие атмосферного давления              v              т v
и изобретение прибора для его измерения, барометра. Пространство между запаянным концом трубки и ртутью стали называть «торричеллиевой пустотой». Эксперимент Торричелли поставил окончательную точку в давнем споре о весе воздуха. Воздух оказался весом, после этого начались серьёзные исследования атмосферы.
Исследования Торричелли и Рене Декарта не положили конец спорам о весомости воздуха и пустоте. Серию блестящих экспериментов по изучению свойств атмосферы провёл бургомистр г. Магдебурга Отто фон Герике (1602 - 1686 гг.), получивший добротное образование в Лейпцигском, Гельмштадском, Йенском и Лейденском университетах (рис. 2.23).


Рис. 2.23. Отто фон Герике и его знаменитый опыт с полушариями
Для начала он усовершенствовал воздушный насос, способный более эффективно, чем прежде откачивать воздух из закрытых объёмов. Герике опытным путём решил продемонстрировать наличие давления воздуха, для чего в 1654 г. были подготовлены два металлических полушария, одно из которых было снабжено штуцером для соединения с воздушным насосом.
Полушария соединили, поместив меду ними кожаную прокладку, пропитанную маслом, и откачали воздух. Сферы безуспешно попытались разъединить лошадьми. Когда же через штуцер впустили внутрь полушарий воздух, то они распались сами, без всякого усилия со стороны.
Опыт Магдембургского бургомистра показал, что если в изолированном объёме создать относительное разряжение, «пустое пространство», то за счёт разности возникших давлений, на него, со стороны внешней среды будут действовать распределённые силы, столь значительные по величине, что их невозможно преодолеть даже несколькими лошадиными силами.


Отто фон Герике продемонстрировал своими опытами материальность воздуха, его свойство вести себя, при определённых обстоятельствах, подобно жидкостям. Это послужило очередной ступенькой к восприятию исследователями идеи кор- пускулярности газообразного состояния материи.
Эстафету Герике подхватил ирландец по происхождению Роберт Бойль (1627 - 1691 гг.), который, по сути, разработал корпускулярную теорию вещества, попутно заложив самые первые основы молекулярной физики и физической химии.
Бойль позиционировал химию, как самостоятельную науку, окончательно отделив её от медицины, как решающую совсем друге, более специфические задачи естествознания.
Роберт Бойль (рис. 2.24) был тринадцатым ребёнком в семье герцога Коркского, прославившегося крутым нравом и неуёмным рейдерством близлежащих территорий.
Во времена королевы Елизаветы захват чужих земель был чуть ли не делом особой доблести. После смерти отца Роберт получил солидное наследство, которое позволяло жить ему безбедно и заниматься наукой в своих домашних лабораториях. Болйль проводил исследования по физике, химии и агрохимии.
Прочитав работы Отто фон Герике, Бойль впечатлился результатами бургомистра и решил повторить опыты. Для этой цели он перво-наперво изобрёл оригинальную конструкцию воздушного насоса, в чём ему помогал Роберт Гук.
Насос потребовался исследователям для новой попытки доказательства присутствия в откачанном пространстве таинственного эфира, о котором начали говорить учёные, с целью объяснения непонятных физических явлений. Серия экспериментов показала, что в откачанных объёмах эфир никак не проявляется, что позволило Бойлю прийти к выводу об отсутствии такового. Пустое пространство Бойль предложил называть вакуумом, что по латыни означает «пустой».
Экономический кризис, разразившийся в Англии в пятидесятых ходах, заставил Бойля покинуть Оксфорд и поселится в одном из родовых имений. Вдали от университетской суеты сразу два секретаря работали над научным наследием Бойля, один записывал за ним, а другой обрабатывал уже написанное ранее.
За короткое время был закончен объёмистый трактат «Новые физикомеханические эксперименты относительно веса воздуха и его проявления». Книга была издана в 1660 г. Название говорит само за себя.
В этой книге было, в частности, отмечено, что под внешними воздействиями воздух может изменять свой объём обратно пропорционально давлению. Пятнадцать лет спустя Мариотт подтвердил выводы Бойля и миру явился знаменитый закон Бойля - Мариотта, который стал основой зарождающейся молекулярнокинетической теории.
В своих дальнейших работах Бойль подверг жёсткой критике последователей Аристотеля и Декарта, строивших свои теории на присутствии во всех опытах таинственного эфира. Сторонники корпускулярной теории строения материи восприняли выводы Бойля пониманием и с энтузиазмом, в их числе был и Христиан Гюйгенс, но были коллеги, для которых эфир был своеобразной палочкой выручалочкой. За невнятным и расплывчатым понятием легко было скрыть ущербность развиваемых ими теорий.
Бойль занимался исследованиями фазовых превращений веществ. Им установлено, что при замерзании воды она меняет свой объём. Он описал, как замерзающая вода разрывает железные трубы.
После широкого распространения температурной шкалы Цельсия у ряда учёных возникло мнение, что постоянство температуры кипения воды даёт основание рассматривать эту характеристику в качестве физической константы.
Бойль экспериментально показал, что температура кипения воды не является, строго говоря, константой, а зависит от внешнего давления. Ему, в частности, удалось достичь кипения воды при комнатной температуре, поместив её под вакуумный колпак.
Некоторые явления, наблюдаемые в экспериментах, Бойль не мог правильно объяснить и идентифицировать, как открытие. Так произошло с капиллярными явлениями. Так, например, Бойль наблюдал поднятие жидкости в капиллярных трубках, а явление поверхностного натяжения было описано позже Стоксом.
В этом нет ничего удивительного, потому что Бойль стал первым, на систематической основе, проводить эксперименты и неизвестных интересных фактов было многовато для одного, даже очень пытливого и подготовленного учёного.
Привычная для нас шкала шведского физика Карла Фридриха Цельсия (1701 - 1744) появилась в 1742 г. Цельсий не стал заморачиваться на реперные точки, лежащие в области отрицательных температур. Разбив на 100 равных частей проме-



50
40
30
20
10
о
-10
-20
-30
-40
К
320
310
300
290
280
270
260
250
240
230
tF = 5 tc + 32
Рис. 2.25. Сравнение шкал Цельсия Кельвина и Фаренгейта


Рис. 2.26. Лорд Кельвин
где tC - температура, отсчитываемая по шкале Цельсия, tF - температура по шкале Фаренгейта.
Все описанные выше температурные шкалы, кроме шкалы Кельвина, являются эмпирическими, они построены на основе удобство пользования, не предполагая глубокого физического смысла.
Большинство термометров в качестве принципиальной основы имеют термометрические тела, находящиеся в температурном контакте с телами, температура которых подлежит измерению. Индикатором температуры служит, так называемая, термометрическая величина. В качестве термометрического тела в современных термометрах, как правило, используют жидкость, например, - ртуть. Термометрической величиной служит объём жидкости.
В последнее время распространение получили измерители, основанные на изменении с температурой физических параметров, электрического сопротивления, ёмкости или индуктивности.
Главное чтобы зависимости используемой величины от температуры была линейной однородной функцией. В этом случае, например, для измерителя на основе термосопротивления достаточно зависимости R = f(t) сопоставить шкалу эталонного термометра.
Шкалу эталонного термометра, в свою очередь, можно получить на основе закона Бойля - Мариотта: произведение объёма газа V данной массы на его давление р зависит только от температуры
pV = CT ,
Из уравнения, в частности, следует, что при Т ^ 0, должно устремляться к нулю и давление, потому что объём, связанный с массой, исчезать не может.
Это условие было принято называть абсолютным нулём температуры. Следует иметь в виду, что во многом эта величина мифическая, потому, что о ней попросту договорились.
Абсолютный ноль является предельно низкой температурой, которая может быть достигнута. Температуры, отсчитываемые от абсолютного нуля, называются абсолютными температурами. Единица температуры в такой шкале именуется градусом Кельвина
Термодинамическая (абсолютная) шкала температур имеет, в отличие от прочих шкал, глубокий физический смысл, так как связана с кинетической энергией теплового движения молекул, о чём будет более подробно сказано далее.
жуток температур между температурой таяния льда и температурой кипения воды, он получившуюся шкалу перевернул в обратную сторону, чисто из практического удобства. Глубокого физического смысла в этом конечно не было, зато просто и удобно.
Две основные современные бытовые температурные шкалы Цельсия и Фаренгейта, в отличие от шкалы Кельвина, находятся в достаточно сложном соотношении (рис. 2.25)
tc = ^ tF 32,

<< | >>
Источник: Исаков Александр Яковлевич. Основы              современного естествознания. Часть 2. Классический пе риод естествознания. Лекции для студентов экономических направлений: Петро- павловск-Камчатский: КамчатГТУ,2012. - 274 с.. 2012

Еще по теме Атомы и молекулы:

  1. От атомов — к молекулам
  2. 27. Молекулы
  3. § 4.5. ТЕМПЕРАТУРА - МЕРА СРЕДНЕЙКИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МОЛЕКУЛ
  4. § 2.4. СИЛЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЛЕКУЛ
  5. § 2.2. МАССА МОЛЕКУЛ.ПОСТОЯННАЯ АВОГАДРО
  6. § 4.3. СРЕДНЕЕ ЗНАЧЕНИЕ СКОРОСТИТЕПЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ
  7. § 2.5. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЛЕКУЛ
  8. Из чего сделаны атомы
  9. Единое — это атомы и пустота
  10. § 4.7. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТЕЙ МОЛЕКУЛ ГАЗА
  11. Откуда взялись атомы
  12. Измеряем длину молекулы
  13. первоначала вещей — атомы, а не общепринятые элементы, или гомеомерии43 
  14. Как быстро распадаются атомы
  15. Если атомы разлетятся на куски...
  16. Глава 5 Атомы
  17. Глава 7 Строение молекул
  18. качества, возникающие из атомов как субстанций и в зависимости от разделяющей атомы пустоты