Den korpuskulär-kinetiska teorin om värme är ett system av principer och åsikter som lades fram i mitten av 1700-talet av M.V. Lomonosov , baserat på ett antal teoretiska bestämmelser som härrör från logiska resonemang och matematiska beräkningar, och baserat på resultaten av experiment, eller finns i dem bekräftelse.
Det var en axiomatisk vederläggning av den " vätsketeorin " som rådde vid den tiden, ett bevis på inkonsekvensen av idéerna om flogiston och kalorier - en milstolpe som fullbordade naturvetenskapens alkemiska och iatrokemiska period - övergången till moderna fysikmetoder, kemi och all naturvetenskap i allmänhet. Det användes av M. V. Lomonosov i hans teoretiska och praktiska forskning relaterad till den fysikaliska kemi han grundade (i den moderna förståelsen av denna vetenskap), i vetenskapen om glas grundad av honom (metodik och praktik av forskning, systemiska och experimentella principer) och andra områden hans verksamhet. Epistemologiskt , i många av dess parametrar, förutsåg detta grundläggande koncept bildandet och principerna för modern molekylär kinetisk teori . [1] [2]
I mitten av 1700-talet dominerade teorin om kalorier , som först lades fram av Robert Boyle , den europeiska vetenskapen . Denna teori baserades på idén om någon form av eldig (eller alternativt kallbildande) materia, genom vilken värme distribueras och överförs, såväl som eld.
M. V. Lomonosov uppmärksammade det vetenskapliga samfundet på det faktum att varken utvidgningen av kroppar när de värms upp, eller viktökningen under bränningen, eller fokuseringen av solljus med en lins kan kvalitativt förklaras av teorin om kalorier. Kopplingen av termiska fenomen med förändringar i massa gav initialt upphov till idén att massan ökar på grund av att materialet kalori tränger in i kropparnas porer och förblir där. M. V. Lomonosov ställde sig frågan: varför kvarstår kalorier när kroppen svalnar, men värmens kraft går förlorad?
Genom att vederlägga den befintliga teorin föreslog M. V. Lomonosov en annan, där han, med hjälp av Occams rakhyvel , skär av det överdrivna begreppet kalori. Här är de logiska slutsatserna av M.V. Lomonosov, enligt vilka "en tillräcklig grund för värme är":
"Vi har således bevisat a priori och bekräftat i efterhand att orsaken till värme är den inre rotationsrörelsen av bunden materia" [3] .
Dessa argument hade en enorm resonans i europeisk vetenskap. Till en början var Lomonosovs teori mer kritiserad än accepterad av forskare. I grund och botten riktades kritik mot följande aspekter av teorin:
Alla dessa avhandlingar är inte bara bra, utan också mycket utmärkta, för han [Lomonosov] skriver om mycket nödvändiga fysikaliska och kemiska ämnen, som inte ens de mest kvicka människorna visste och inte kunde tolka idag, vad han gjorde med sådan framgång att jag Jag är helt säker på giltigheten av hans förklaringar. I det här fallet måste Mr Lomonosov göra rättvisa, att han har en utmärkt talang för att förklara fysiska och kemiska fenomen. Man skulle önska att andra akademier skulle kunna producera sådana avslöjanden, som Mr. Lomonosov visade. Euler som svar på hans excellens herr president, 1747. [5]
M. V. Lomonosov hävdar att alla ämnen består av blodkroppar - molekyler , som är "sammansättningar" av element - atomer . I sin avhandling "Elements of Mathematical Chemistry" (1741; oavslutad) ger vetenskapsmannen följande definitioner: "Ett grundämne är en del av en kropp som inte består av några andra mindre och olika kroppar ... En kropp är en samling av element som bildar en liten massa."
I ett senare verk (1748) använder han istället för "element" ordet "atom", och istället för "kropp" använder han en partikel ( lat. particula ) - "partikel" eller "molekyl" ( lat. molecula ). Han ger "elementet" dess moderna betydelse - i betydelsen gränsen för delbarhet av kroppar - deras sista beståndsdel. De gamla sa: "Precis som ord är uppbyggda av bokstäver, så är kroppar uppbyggda av element." Atomer och molekyler (kroppar och grundämnen) enligt M. V. Lomonosov är också ofta "fysiskt okänsliga partiklar", vilket understryker att dessa partiklar är sensuellt omärkliga. M. V. Lomonosov påpekar skillnaden mellan "homogena" blodkroppar, det vill säga bestående av "samma antal av samma element kopplade på samma sätt" och "heterogena" - bestående av olika element. Kroppar som består av homogena kroppar, det vill säga enkla kroppar, kallar han början ( lat. principium ). [1] [2]
Men forskaren stannar inte vid strukturdiagrammet - huvudförtjänsten med den kinetiska värmeteorin av M.V. Lomonosov är att ge begreppet rörelse en djupare fysisk betydelse. Dessutom är det M.V. Lomonosov som har prioritet för idén om partiklarnas inre roterande ("roterande") rörelse i samband med hans teser om värmens natur, som i största utsträckning, med alla kostnaderna för hans system, förde idéer om materiens struktur närmare dess moderna tillstånd - ingen av dess föregångare ger inte en liknande modell; en av de viktigaste missuppfattningarna var åsikten att partiklarna är i kontakt (enligt den moderna modellen är de inte i konstant kontakt, utan kolliderar, men "kontakt" -faktorn kan övervägas, i enlighet med de allmänna idéerna om tid, som en motsvarighet till de nuvarande faktorerna för anslutning och interaktion mellan partiklar), trots att deras odelbarhet ("nedre gräns") inte innebar någon som helst struktur, togs nästa steg endast med elektronhypotesen ( 1874 ), eller snarare , med bildandet av en idé om elektronmolnets rotationssymmetri .
Hans ytterligare resonemang - om rotationshastigheten, vars ökning uttrycks av en ökning av kropparnas och miljöns temperatur, spekulativt, utan gränser, samtidigt - en imaginär frånvaro av rörelse - ett vilotillstånd, de flesta leder nära till idén om absolut noll ("den högsta graden av kyla ... på amfibieboll finns inte någonstans") - till grunden för termodynamikens andra lag ( 1850 ) [6] . M. V. Lomonosov var empiriskt nära att utesluta flogiston och kalorier från systemet för naturvetenskapliga åsikter, och till den slutliga "demonteringen" av vätsketeorin - till upptäckten av väte .
I artikeln "Experience in the Theory of Air Elasticity" (1748) ger M. V. Lomonosov en kinetisk modell av en idealgas , enligt vissa bestämmelser, med ett antal korrigeringar - motsvarande den som antogs senare. Enligt hans hypotes repellerar partiklar som roterande kroppar, och det är en konsekvens av att gasen hela tiden värms upp till en viss temperatur. Forskaren visar sambandet mellan luftens volym och elasticitet (se Boyle-Mariottes lag ); samtidigt påpekar han att detta mönster inte gäller luft när den är starkt komprimerad, anledningen till detta är den ändliga storleken på dess molekyler - denna idé tillämpades av J. D. Van der Waals när man härledde den verkliga gasekvationen . Med tanke på värme och ljus kommer vetenskapsmannen i "Ordet om ljusets ursprung ..." (1756-1757) till slutsatser om den roterande ("roterande") utbredningen av den första och vågen ("fluktuerande") - partiklar av den andra, den första - absorberas av den "brandstarka spegeln" , och de andra reflekteras; år 1771 anses termisk strålning ("strålningsvärme") av K. V. Scheele . Den ryska forskaren pekar på ursprunget till ljus och elektricitet som en konsekvens av rörelsen av samma eter, som, med vissa korrigeringar och med hänsyn till den förenklade förståelsen av fenomenet på grund av tid, kan jämföras med bestämmelserna i den elektromagnetiska teorin om D. K. Maxwell .
Giltigheten av denna typ av korrespondens kan observeras i många delar av begreppet M. V. Lomonosov, dessa anologier och föregångaren till hans hypoteser visas ganska övertygande av den enastående kemisten och vetenskapshistorikern N. A. Figurovsky . I allmänhet sätter M. V. Lomonosov rotationsrörelsen i spetsen för sin "naturfilosofi", som en av universums grundläggande principer. Med all den spekulativa och filosofiska karaktären hos M. V. Lomonosovs logiska resonemang, enligt den rådande missuppfattningen, i avsaknad av en matematisk bevisbas (vilket dock är orättvist, som vi kommer att se senare, använde vetenskapsmannen den matematiska apparaten ganska brett; trots att matematiken inte är "en absolut garant för tillförlitlighet" - det är ingen slump att W. Gibbs konstaterar: "En matematiker kan säga vad han vill, en fysiker måste behålla åtminstone ett minimum av sunt förnuft" [7] ) , de är övertygande och rättvisa (detta noterades, som vi ser, av matematikern Leonard Euler) och stämmer väl överens med upptäckterna som följde många decennier senare - som upptäckten av hans efterträdare - D. I. Mendeleev , som, utan att känna till atomens struktur, gav en grundläggande lag som sedan vägledde dem som förstod just denna struktur. [1] [2] [8] .
§26 .. Det är omöjligt att nämna en så hög rörelsehastighet att det skulle vara omöjligt att mentalt föreställa sig en annan, ännu större. Detta gäller givetvis med rätta även för värmerörelser; ... Tvärtom, samma rörelse kan minska så mycket att kroppen till slut når ett tillstånd av perfekt vila och ingen ytterligare minskning av rörelsen är möjlig. Därför måste det med nödvändighet finnas den största och sista graden av kyla, som måste bestå i att partiklarnas rotationsrörelse helt upphör. — M. V. Lomonosov. Om orsaken till värme och kyla. juli 1749 [2]
Slutsatserna från den mekaniska teorin om värme, efter att ha bekräftat den själv, underbyggde för första gången hypotesen om materiens atomära och molekylära struktur - atomistik fick objektiva naturvetenskapliga bevis. Lomonosovs förståelse av relevansen av lagen om bevarande av materia och kraft (eller rörelse) är direkt relaterad till M. V. Lomonosovs korpuskulära teori och molekylärkinetiska synpunkter. Principen om bevarande av kraft (eller rörelse) för honom blev det första axiomet i hans övervägande av argumenten för att motivera molekylär termisk rörelse. Denna princip tillämpas regelbundet av honom i hans tidiga verk. I sin avhandling "On the Action of Chemical Solvents in General" (1743) skriver han: "När en kropp accelererar en annans rörelse, kommunicerar den till den en del av sin rörelse; men den kan inte kommunicera en del av rörelsen utom genom att förlora exakt samma del. Liknande är övervägandena om principen om bevarande av materia, som visar inkonsekvensen i teorin om kalori. Med ledning av honom kritiserar M. V. Lomonosov R. Boyles idéer om förvandlingen av eld till en "beständig och tungt vägande" substans. I "Materials for the biography of Lomonosov" i dokument nr 165 - ser vi att vetenskapsmannen skriver i december 1756: " In Chemistry: 1) Mellan olika kemiska experiment. varav magasinet är på 13 ark, görs experiment i fast sammansmälta glaskärl för att undersöka om vikten av metaller kommer från ren värme. Genom dessa experiment fann man att den ärorika Robert Botius (ett fel - du bör läsa, naturligtvis, Boyle) åsikt är falsk, för utan passage av yttre luft förblir vikten av den brända metallen i ett mått ... ". År 1774 publicerade A. L. Lavoisier ett arbete som beskrev liknande experiment; senare formulerade och publicerade han lagen om bevarande av materia - resultaten av experimenten från M. V. Lomonosov publicerades inte, så de blev kända först efter hundra år. [1] [2] [9] ..
I ett brev till L. Euler formulerar han sin "universella naturlag" (5 juli 1748). upprepar det i avhandlingen "Diskurs om kropparnas hårdhet och vätska" (1760) [1] [2] :
... Alla förändringar som sker i naturen är ett sådant tillstånd att hur mycket av det som tas bort från en kropp, så mycket kommer att läggas till en annan, så om där ett fåtal materia minskar, kommer det att föröka sig på en annan plats ... Denna universella naturlag sträcker sig till de flesta rörelseregler, för en kropp som rör en annan genom sin kraft förlorar lika mycket av dem från sig själv som den kommunicerar till en annan, som tar emot rörelse från den. [10] [11]
Som motståndare till teorin om flogiston, tvingades M. V. Lomonosov ändå att göra försök att harmonisera den med sin "korpuskulära filosofi" (till exempel för att förklara mekanismen för oxidation och reduktion av metaller och "sammansättningen" av svavel - det fanns ingen rationell förståelse av fenomenen, det fanns ingen vetenskaplig teori om förbränning - syre hade ännu inte upptäckts ), vilket var naturligt i den samtida universella " konventionaliteten " angående teorin om "viktlösa vätskor" - annars skulle han inte bara inte förstås, men hans idéer skulle inte alls accepteras för övervägande. Men vetenskapsmannen kritiserar redan G. E. Stahl : "Eftersom restaurering utförs av samma sak som kalcinering, även med starkare eld, kan ingen anledning ges till varför samma eld antingen tränger in i kroppar eller lämnar dem."
M. V. Lomonosovs huvudsakliga tvivel är kopplade till frågan om viktlösheten hos flogiston, som, när den avlägsnas från metallen under kalcinering, ger en ökning av vikten av kalcineringsprodukten - där forskaren ser en tydlig motsägelse till den "universella naturlag". M. V. Lomonosov arbetar med flogiston som ett material som är lättare än vatten, vilket i huvudsak indikerar att det är väte. I sin avhandling ”On metallic brilliance” (1745) skriver han: ”... När någon oädel metall, särskilt järn, löses i sura alkoholer, kommer brännbar ånga ut ur flasköppningen, som inte är något annat än flogiston som frigörs från friktion av lösningsmedlet med metallmolekyler (hänvisning till "Avhandling om verkan av kemiska lösningsmedel i allmänhet") och förs bort av den utströmmande luften med finare delar av alkohol. För: 1) rena ångor av sura alkoholer är icke brandfarliga; 2) kalken av metaller som förstörts genom förlusten av brännbara ångor kan inte alls återställas utan tillsats av någon kropp som överflöd av brännbart material. Mer än 20 år senare kom den engelske vetenskapsmannen G. Cavendish [12] till en liknande slutsats ("brännbar luft" är flogiston, senare kallad väte) , som var säker på att hans upptäckt löste alla motsägelser i flogistonteorin. Den identiska slutsatsen av M. V. Lomonosov i verket "Om metallisk briljans" (1751) "förblev obemärkt", [1] [2] [9]
Med sin Corpuscular Philosophy kritiserar M. V. Lomonosov inte bara arvet från alkemi och iatrokemi, utan genom att lägga fram produktiva idéer som han använde i praktiken, formar han en ny teori, som var avsedd att bli grunden för modern vetenskap. [ett]
Forskarens första försök att harmonisera den korpuskulära (atom-molekylära) teorin han utvecklade med kemi.
Definition
40) ... Korpuskler är heterogena när deras element är olika och sammankopplade på olika sätt eller i olika antal; på detta beror den oändliga variationen av kroppar. …
Erfarenhet 2
§ 51. Metaller och några andra kroppar lösas upp i lösningsmedel och delas i mycket små delar, som är oskiljaktiga från lösningsmedlen, men bildar en homogen kropp med dem. Flyktiga kroppar sprids genom luften och försvinner in i den. Brännbara ämnen bryts upp från brandverkan till immateriella partiklar.
tillägg
§ 52. Fysiska kroppar är indelade i små delar, var för sig undviker synsinnet, så att kropparna är sammansatta av okänsliga partiklar.
Förklaring
§ 53. Följande bevisar den fantastiska litenheten hos okänsliga fysiska partiklar. En kubisk linje av en parisisk fot av guld väger ungefär 3 korn, och ett korn sträcks av hantverkare till det tunnaste arket, med 36 kvadrattum. … tre korn eller en kubisk linje av guld sträckt in i ett sådant ark motsvarar ungefär 108 kvadrattum eller 15 552 kvadratlinjer. ... i en kubisk linje av en parisisk fot av guld finns 3 761 479 876 608 kubiska partiklar av guld, vars sida är lika med arkets tjocklek; sålunda, i ett kubiskt sandkorn, vars sida är lika med 1/10 av linjen, kan det finnas ungefär 3 761 479 876 sådana partiklar som är fysiskt separerade från varandra ... Mr. de Malezier observerade de minsta varelserna i en mikroskop [13] , varav storleken var relaterad till storleken på bladlöss, som 1 till 27 000 000; och eftersom dessa varelser lever, därför har de delar och kärl som är nödvändiga för rörelse, näring och känsla, ... det är tydligt att deras kroppar är sammansatta av okänsliga partiklar, otroligt små och fysiskt separerbara, ...
§ 7. ... låt oss minnas erfarenheten av Roberval , som höll luften högt komprimerad i 15 år och så småningom fann dess elasticitet oförändrad ... Därför accepterar vi ... att luftpartiklarna - just de som producerar elasticitet , som tenderar att flytta ifrån varandra - är berövade varje fysisk byggnad och organiserad struktur , och för att kunna uthärda sådana prövningar och producera sådana fantastiska effekter, måste det vara extremt starkt och inte föremål för någon förändring; därför borde de med rätta kallas atomer . Och eftersom de fysiskt verkar på materiella kroppar måste de själva ha förlängning .
§ 8. När det gäller figuren av luftatomer, ... är vikten nära sfärisk. ... Eftersom varm luft vidare värmer de kalla kropparna i den, betyder det att dess atomer exciterar rotationsrörelse i partiklarna i kroppar som är i kontakt med den (Se "Reflections on the Cause of Heat and Cold", 1749), vilket producerar värme. …
Placera
§. Ljus fortplantar sig i en oscillerande rörelse.
Bevis
Ljus kan inte fortplantas genom translationell rörelse (§), därför fortplantar det sig antingen roterande eller oscillerande (§). Rotationsrörelse sprider också värme (§); men genom den rörelse, varigenom värme fortplantas, fortplantas inte ljuset (§). Följaktligen fortplantar sig ljus inte genom vare sig translations- eller rotationsrörelse, och därför endast oscillerande. …
Förklaring
§. Hur naturlig och hur överensstämmande med naturen denna orsak till ljusets utbredning är, blir ganska uppenbart i analogi: för som i luft, etc.
Placera
§. Partiklarna som utgör etern är alltid i kontakt med sina grannar.
Bevis 1:a
Ljus fortplantar sig genom de största utrymmena i ett okänsligt ögonblick (uppenbart från otaliga observationer och vardagliga erfarenheter); den oscillerande rörelsen, varigenom ljuset fortplantar sig genom etern, kan inte ske på annat sätt än om en blodkropp slår från en annan blodkropp ... Och en oändligt liten mängd, taget ett oändligt stort antal gånger, ger ett påtagligt och stort. Därför skulle ljusets utbredningstid vara märkbar om inte alla eterpartiklar var i kontakt; men eftersom ljusets utbredningstid över stora avstånd knappast är märkbar, så måste uppenbarligen eterpartiklarna vara i kontakt, vilket krävdes att bevisas.
Och kan vi inte observera en analogi med vad som sades nästan tvåhundra år senare (åtminstone i form av en "fluktuerande" rörelse av en partikel som ett underlag för idéer om dess inneboende våg), som ersätter "kontakt" med en annan motsvarighet av gemenskap och interaktion?
Alltså, att försöka tillskriva... till alla partiklar i allmänhet, som fotoner , en dubbel natur, att förse dem med våg- och korpuskulära egenskaper, sammankopplade med ett kvantum av verkan...
Vad är huvuduppgiften? I huvudsak, när man etablerar en viss överensstämmelse mellan utbredningen av en viss våg och rörelsen av en partikel, och de kvantiteter som beskriver vågen måste associeras med partikelns dynamiska egenskaper ...
— Louis de Broglie , Vågmekanik — från The Revolution in Physics (1936) [14]Roterande rörelse av partiklar är tillräckligt för att förklara och bevisa värmens alla egenskaper. …
En brandstark spegel, täckt med svart lack, producerar stort ljus vid brandpunkten, värme - inte mindre, vilket tydligt visar att eterns snurrande rörelse i svart materia har tröttnat, den oscillerande rörelsen har förblivit obehindrad. …
På var åttonde minut sprider sig ljus till jorden från solen; följaktligen kommer på tolv timmar åttatusen sexhundrafyrtio miljoner kubik terrestra halva diametrar att passera från den till detta korn av eterisk materia. …
Jag finner detta i de okänsliga initiala partiklarna som utgör alla kroppar, från den vise arkitekten och den allsmäktige mekanikern, ordnade och godkända mellan oföränderliga naturlagar. …
För godkännandet av detta system skulle jag vilja ha alla exempel från många experiment, som jag särskilt utförde i forskningen av flerfärgat glas för mosaikkonst. …
Vintern 1759/1760 lyckades I. A. Braun och M. V. Lomonosov för första gången frysa kvicksilver, som dittills ansågs vara en flytande kropp. Ryska och många utländska vetenskapliga tidskrifter rapporterade om detta [15] . M. V. Lomonosov, på grundval av sin atomistiska lära, föreslår en ny modell av en solid kropp - han försöker förklara orsaken till ökningen av dess volym när den värms upp och mekanismen för att ändra tillståndet för aggregering. Han upprepar fullständigt sin formulering av den "universella naturlagen", som anges i ett brev till L. Euler (5 juli 1748). På 1900-talet översattes detta verk till tyska, franska och engelska [16] . N. N. Beketov skriver om detta: ”... Han uttrycker åsikter som till och med nu knappast tränger in i forskarnas sinnen ... Han förklarar utifrån sin dynamiska teori om värme ... Denna åsikt är nu accepterad redan på fyrtio- och femtiotalet av XIX-talet".
§ 13. Härav kommer följande regel: de okänsliga partiklarna som utgör kroppar, desto större, desto starkare förening, desto mindre, desto svagare. . När partiklarna som är i förening är bollar, låt det då finnas halvdiameter av större partiklar (Fig. 1) AE, CF, AI, CI \ u003d a, halvdiameter EB och BF av en partikel av kompressionsmaterial [är ] r . Dessutom, från själva tillägget av figuren är det klart att BI är vinkelrät mot AC ; därför kommer att vara . Men eftersom AD , DC , AB , BC är lika med varandra, kommer det att finnas en triangel ADC = och ~ ABC ; för det och BI = DI ; alltså = diametern på föreningsplanen för partiklarna A och C . Låt sedan p vara periferin av en cirkel vars diameter = 1; det kommer att vara det mest allierade planet = . Låt slutligen vara halvdiametern för de mindre partiklarna, beståndsdelarnas kroppar, A och C = a − e och halvdiametern för partikeln av det komprimerande materialet = r . Och trots allt händer allt annat på samma sätt, som det har bevisats ovan, det kommer att vara BD = = diametern på det allierade planet av mindre partiklar, och själva det allierade planet = p [( a − e + r )² − ( a − e )²]; så, föreningsplanet för större partiklar till föreningsplanet för mindre partiklar kommer att vara = p [( a + r )² − a ²] till p [( a − e + r )² − ( a − e )²] = ( a + r )² − a ² till ( a − e + r )² − ( a − e )² = r + 2 a till r + 2( a − e ). Därför kommer det allierade planet för större partiklar att vara större än det allierade planet för mindre; därför, ju större partiklar, desto starkare förening; ju mindre, desto svagare.
14 § Det är alltså inte svårt att dra slutsatser av detta, eftersom många och olika egenskaper som finns i föreningen av partiklar kan tolkas enligt denna regel genom att resonera om de olika storlekarna på partiklar i en blandning. Låt därför naturens testare sluta undra och tvivla på att alla speciella kvalitetskroppar kan komma från partiklar som bara har en rund figur, och speciellt med tanke på kraften i att kombinera partiklar, som visas i Ordet om ljusets ursprung och färger. Dessutom, för att ta som exempel konsten, som från runda trådar, och särskilt om de har olika tjocklek, otaliga och olika vävda och vävda saker görs med utmärkta mönster enligt deras olika positioner.
Mikhail Vasilievich Lomonosov | ||
---|---|---|
Vetenskapliga landvinningar |
| |
Publikationer |
| |
En familj | Förfäder och ättlingar till M. V. Lomonosov | |
Minne |
|