Тепловое расширение

Экспериментальные исследования теплового расширения в XVIII веке привели к характерной путанице понятий, царившей почти до середины XIX столетия. Говорили, например, что "ртуть расширяется равномерно", забывая добавить, по отношению к какому эталону определяется это расширение. Между тем в качестве мерила неявно предполагалась та же ртуть, поскольку за равные интервалы температуры принимались интервалы, дававшие равные значения расширения ртути. При этих условиях утверждение о том, что ртуть расширяется равномерно, лишено смысла, точно так же как нет смысла и в утверждении, что видимое движение неподвижных звезд "равномерно", если само это движение служит для определения равных интервалов времени.

Уже в начале столетия некоторые опыты Дэви показали необходимость принятия эталонной шкалы. Дэви сконструировал различные термометры — со ртутью, со спиртом, с чистой водой, с соленой водой. Каждый термометр он градуировал по Цельсию обычным способом с обычными двумя постоянными точками. Сопоставив показания этих термометров, он обнаружил полное их расхождение. Так, когда ртутный термометр показывал 50° С, спиртовой показывал 43°, термометр с оливковым маслом 49°, с чистой водой 25,6°, а с соленой водой 45,37°.

Точное сопоставление показаний ртутного и воздушного термометров было произведено в 1815 г. Дюлонгом и Пти, которые пришли к заключению, что если расширение ртути считать равномерным, то расширение воздуха не будет равномерным, и наоборот. Однако полное выражение эти идеи получили лишь в знаменитом мемуаре Уильяма Томсона (лорда Кельвина), опубликованном в 1848 г., где вводится термодинамическая температурная шкала, не зависящая от применяемого термометрического вещества, почему она и получила название "абсолютной шкалы".

Дюлонг и Пти в упомянутой работе считали, что два ртутных термометра дают всегда согласованные показания. Однако в 1808 г. Анджело Беллани (1776—1852) смог показать ложность этого предположения, исходя из весьма незначительного на первый взгляд наблюдения, которое оказалось тем не менее весьма существенным, поскольку указало причину многих ошибок в проведенных измерениях температуры. Речь идет о смещении нуля в ртутных термометрах, обусловленном изменением с течением времени емкости стеклянного шарика.

Изучение расширения различных сортов стекла, проведенное Реньо в 1842 г., берет свое начало от другого фундаментального труда Дюлонга и Пти (1818 г.) по определению абсолютного теплового расширения ртути с помощью весьма остроумного метода двух температур и двух уровней, до сих пор описываемого в учебниках физики. Заметим кстати, что в связи с этим Дюлонг и Пти изобрели катетометр — точный прибор для определения разности уровней (в барометрах, капиллярах и т. д.) между двумя точками, не обязательно находящимися на одной вертикали.

Знание абсолютного теплового расширения ртути позволило Дюлонгу и Пти экспериментально исследовать тепловое расширение других жидкостей и твердых тел с помощью методов, описываемых в курсах физики. Исследователи пришли к общему выводу, что по отношению к тепловому расширению ртути тепловое расширение других тел, твердых и жидких, оказывается неравномерным, изменяющимся с температурой и подверженным большим аномалиям вблизи точек плавления. Из этого следует, что для каждого твердого или жидкого вещества нужно определять значения коэффициента теплового расширения теоретически для каждой температуры, а практически — для различных интервалов температур. Отсюда следует указанная Фридрихом Вильгельмом Бесселем (1784—1846) необходимость учета температурной поправки при определении удельных весов и составления таблицы поправок для барометрических отсчетов. Первой такой таблицей мы обязаны Карлу Людвигу Винклеру, составившему ее в 1820 г.

В области теплового расширения твердых тел Эйльгард Мичерлих (1794—1863) в 1825 г. установил, что все кристаллы (за исключением кристаллов кубической системы) расширяются неравномерно в разных направлениях и, следовательно, изменяют свою форму с изменением температуры. Это явление было подтверждено Френелем и основательно исследовано Физо в многочисленных работах 1864—1869 гг., где он применял очень чувствительный метод, основанный на изменении формы колец Ньютона при изменении толщины слоя воздуха между двумя поверхностями. Одна поверхность изучаемого тела делалась слегка выпуклой и опиралась на плосковыпуклую линзу; с помощью оптической системы наблюдались образуемые отраженными лучами кольца Ньютона при освещении монохроматическим светом. При подогреве картина колец изменялась, и это позволяло определять изменение толщины воздушной прослойки. Этот метод пригоден также для изучения некристаллических тел и обладает столь высокой точностью, что Международный комитет мер и весов принял его для определения деформации металлического стержня эталонного метра. С помощью этого прибора Физо установил, что наряду с водой некоторые другие вещества (алмаз, изумруд и др.) также обладают максимумом плотности и что йодистое серебро сжимается при нагреве в интервале от —10° до +70° С.

Другое по технологическим наукам

Боевые самолеты
В течение тысячелетий человечество пыталось разгадать секреты полета. Ход человеческой мысли был вполне естественным: для полёта нужны крылья. «Вот у птиц есть крылья - они могут летать» - многие столетия думал человек, всеми правдами и неправдами пытаясь соорудить и приладить к себе устройства, т ...