ДЭВИ (Davy), Гемфри

17 декабря 1778 г. – 29 мая 1829 г.

Английский физик и химик Гемфри Дэви родился в городке Пензанс на юго-западе Англии (графство Корнуолл) в семье резчика по дереву. Уже в детстве Дэви удивил всех своими необычайными способностями. После смерти отца он стал учеником аптекаря; в аптеке он начал занятия химией. Дэви составил обширный план самообразования и упорно следовал ему. Уже в 17 лет он сделал свое первое открытие, обнаружив, что трение двух кусков льда друг о друга вызывает их плавление, на основании чего предположил, что теплота – это особый вид движения.

В 1798 г. Дэви, который уже приобрел репутацию хорошего химика, был приглашен в Бристольский Пневматический институт, где изучалось действие различных газов на человеческий организм. Там в 1799 г. он открыл опьяняющее действия на человека «веселящего газа» (закиси азота, N2O).

В 1801 г. Дэви стал ассистентом, а в 1802 г. – профессором Королевского института. Работая в Королевском институте, Дэви увлекся изучением действия электрического тока на различные вещества. В 1807 г. он получил металлический калий и натрий электролизом едкого кали и едкого натра, считавшихся неразложимыми веществами. В 1808 г. получил электролитическим путём амальгамы кальция, стронция, бария и магния. Во время опытов с неизвестными металлами в результате попадания расплавленного калия в воду произошел взрыв, в результате которого Дэви серьёзно пострадал, потеряв правый глаз.

Независимо от Ж. Гей-Люссака и Л. Тенара Дэви выделил бор из борной кислоты и в 1810 г. подтвердил элементарную природу хлора. Опровергнув взгляды А. Лавуазье, который считал, что каждая кислота обязательно содержит кислород, Дэви предложил водородную теорию кислот. В 1807 г. Дэви выдвинул электрохимическую теорию сродства, согласно которой при образовании химических соединений происходит взаимная нейтрализация зарядов, присущих простым телам; при этом чем больше разность зарядов, тем прочнее соединение.

В 1808–1809 гг. Дэви, используя мощную электрическую батарею из 2 тыс. гальванических элементов, получил электрическую дугу между двумя угольными стержнями, соединенными с полюсами батареи (позже эту дугу назвали вольтовой). В 1815 г. он сконструировал безопасную рудничную лампу с металлической сеткой, которая спасла жизнь многим шахтерам, а в 1818 г. получил в чистом виде еще один щелочной металл – литий. В 1821 г. он установил зависимость электрического сопротивления проводника от его длины и сечения и отметил зависимость электропроводности от температуры. В 1803–1813 гг. Дэви читал курс сельскохозяйственной химии; он высказал мысль о том, что минеральные соли необходимы для питания растений, и указал на необходимость полевых опытов для разрешения вопросов земледелия.

В 1812 г., в возрасте тридцати четырех лет, за свои научные заслуги Дэви получил титул лорда. В это же время у него обнаружился и поэтический талант; он вошел в кружок английских поэтов-романтиков так называемой «озерной школы». В 1820 г. Дэви стал президентом Лондонского Королевского общества – английской академии наук.

Умер Дэви 29 мая 1829 г. в Женеве от апоплексического удара. Похоронен он в Вестминстерском аббатстве в Лондоне, в месте захоронения выдающихся людей Англии. Дэви вошел в историю как основатель новой науки – электрохимии, автор открытий многих новых веществ и химических элементов, а также как учитель другого крупнейшего английского ученого – Майкла Фарадея. В честь Гемфри Дэви Лондонское Королевское общество учредило награду для выдающихся учёных – медаль Дэви.

ДЖОУЛЬ Джеймс Прескотт (24.12.1818, Солфорд, Ланкашир, — 11.10.1889, Сейл, Чешир), английский физик, член Лондонского королевского общества (1850). Был владельцем пивоваренного завода близ Манчестера. Внёс значительный вклад в исследование электромагнетизма и тепловых явлений, в создание физики низких температур, в обоснование закона сохранения энергии. Джоуль установил (1841; опубликовано в 1843), что количество тепла, выделяющееся в металлическом проводнике при прохождении через него электрического тока, пропорционально электрическому сопротивлению проводника и квадрату силы тока (см. Джоуля — Ленца закон). В 1843—50 Джоуль экспериментально показал, что теплота может быть получена за счёт механической работы, и определил механический эквивалент теплоты, дав тем самым одно из экспериментальных обоснований закона сохранения энергии. В 1851, рассматривая теплоту как движение частиц, теоретически определил теплоёмкость некоторых газов. Совместно с У. Томсоном опытным путём установил, что при медленном стационарном адиабатическом протекании газа через пористую перегородку температура его изменяется (см. Джоуля — Томсона эффект). Обнаружил явление магнитного насыщения при намагничивании ферромагнетиков.

ТОМСОН, лорд Кельвин Уильям (26.6.1824, Белфаст, — 17.12.1907, Ларгс, близ Глазго; похоронен в Лондоне), английский физик, один из основателей термодинамики и кинетической теории газов, член Лондонского королевского общества (с 1851, в 1890—95 президент). В 1834—45 учился в университетах Глазго и Кембриджа. В 1845—1846 работал в Париже у А. В. Реньо; в 1846—99 профессор университета в Глазго. В 1892 за научные заслуги получил титул лорда Кельвина.
Ещё студентом Томсон опубликовал ряд работ по приложению рядов Фурье к различным разделам физики. В 1845 он разработал электрический метод получения изображений, затем под влиянием Дж. П. Джоуля занялся фундаментальными проблемами теории теплоты, предложил абсолютную шкалу температур (1848), дал одну из формулировок второго начала термодинамики (1851) и ввёл понятие рассеяния энергии. Высказал гипотезу «тепловой смерти» Вселенной. В 1851 обнаружил изменение электрического сопротивления ферромагнетиков при их намагничивании (см. Томсона эффект в ферромагнетиках). В 1853—54 совместно с Джоулем открыл эффект охлаждения газа при его адиабатическом расширении (Джоуля — Томсона эффект), а также развил термодинамическую теорию термоэлектрических явлений и в 1856 предсказал явление переноса тепла электрическим током (см. Томсона эффект термоэлектрический). В связи с проблемой осуществления телеграфной связи по трансатлантическому кабелю разрабатывал теорию электромагнитных колебаний и вывел формулу зависимости периода колебаний контура от его ёмкости и индуктивности (формула Томсона). Большое значение в формировании атомистических представлений имел произведённый Томсоном расчёт размеров молекул на основе измерений поверхностной энергии плёнки жидкости. В 1870 установил зависимость упругости насыщенного пара от формы поверхности жидкости. Занимался также различными вопросами гидродинамики (теория приливов, распространение волн по поверхности), астрофизики (теория происхождения зодиакального света), геофизики (теория охлаждения земного шара) и т.д. Разрабатывая теорию вихревого движения, Томсон вывел теорему о сохранении циркуляции в идеальной жидкости. Сконструировал сифон-отметчик, квадрантный и абсолютный электрометры и др. физические приборы; усовершенствовал зеркальный гальванометр, магнитный компас и т.д. Почётный член Петербургской АН (1896; член-корреспондент. 1877).

В 1843 году Джеймс Джоуль занялся новой проблемой: доказательством существования количественного соотношения между «силами» разной природы, приводящими к выделению тепла. Установив зависимость между работой и количеством произведенного ею тепла, и нашёл численное отношение между этими величинами — механический эквивалент тепла. Джоуль неутомимо исследует этот вопрос и в 1847 году докладывает о нем на заседании Британской ассоциации естествоиспытателей в Оксфорде. В течение предыдущих четырех лет Джоуль заявлял на этих ежегодных собраниях, что теплота не является, как тогда полагали, некоторой субстанцией («теплородом»), распространяющейся от одного тела к другому. Джоуль высказывал убеждение, что теплота есть на самом деле результат колебаний составляющих вещества атомов. Выступления Джоуля на собраниях Британской ассоциации воспринимались со скукой и недоверием. Но на этот раз все было иначе, ведь в зале сидел Томсон (в то время уже завоевавший себе имя, молодой профессор из университета Глазго). Он был восхищен тем, что говорил Джоуль, стал задавать много вопросов и спровоцировал жаркие дебаты.

В последствии в 1852 – 1862 гг. совместно Джоулем и В. Томсоном был выполнен целый ряд экспериментальных работ по исследованию термодинамических свойств газов. Одной из этих работ и был опыт, получивший название – опыт Джоуля – Томсона.

Целью опыта Джоуля – Томсона было обнаружение сил межмолекулярного взаимодействия. В результате был обнаружен эффект, названный эффектом Джоуля – Томсона. Заключающийся в изменении температуры газа в результате медленного протекания его под действие постоянного перепада давления сквозь дроссель – местное препятствие потоку газа (капилляр, вентиль или пористую перегородку, расположенную в трубе на пути потока). Течение газа сквозь дроссель (дросселирование) должно происходить без теплообмена газа с окружающей средой (адиабатически).

Эффект Джоуля – Томсона во второй половине XIX века послужил основанием для создания холодильной техники, для промышленного развития которой особенно много сделал немецкий физик-инженер Карл Линде (1842 – 1936).

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ПОСТАНОВКИ ОПЫТА, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ

Для постановки опыта Джоуль – Томсон использовали следующее оборудование:

1. Теплоизолированная цилиндрическая трубка, разделенная на две части с помощью пористого материала – дросселя.

2. Два термометра.

3. Два манометра.

4. Баллон с исследуемым газом.

5. Редукционный клапан. Это устройство, автоматически перепускающее жидкость или газ из полости высокого давления в полость более низкого давления с поддержанием постоянного давления в одной из этих полостей.

6. Соединительные трубки.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА

I. Необходимо собрать установку:

1. Соединить теплоизолированную трубку с баллоном с исследуемым газом через редукционный клапан с помощью резиновых трубок.

2. Установить термометры в части теплоизолированной трубки до дросселя и в части после него.

3. Установить манометр в часть трубки до дросселя.

4. Второй манометр измеряет атмосферное давление.

II. Проведение измерений:

1. Открыть редукционный клапан. Под действием разности давлений газ начинает течь по трубке.

2. Зафиксировать показания термометров.

III. Зафиксировать показания манометров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТА

В опытах Джоуля и Томсона измерялась температура в двух последовательных сечениях непрерывного и стационарного потока газа (до дросселя и за ним, рис. 2).

При перепаде давления на дросселе, равном 1 атмосфере (), измеренная разность температур для воздуха составила — 0,25°С (опыт проводился при комнатной температуре).

В тех же условиях,:
Для углекислого газа () оказалась равной -1,25°С.
Для водорода () оказалась равной +0,02 °С.

Эффект Джоуля — Томсона принято называть положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается (< 0), и отрицательным, если газ нагревается (> 0).

ОБЪЯСНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ОПЫТА

Согласно молекулярно-кинетической теории строения вещества, эффект Джоуля — Томсона свидетельствует о наличии в газе сил межмолекулярного взаимодействия. Действительно, при взаимном притяжении молекул внутренняя энергия (U) газа включает как кинетическую энергию молекул, так и потенциальную энергию их взаимодействия. Расширение газа в условиях энергетической изоляции не меняет его внутренней энергии, но приводит к росту потенциальной энергии взаимодействия молекул (поскольку расстояния между ними увеличиваются) за счёт кинетической. В результате тепловое движение молекул замедлится, температура расширяющегося газа будет понижаться. В действительности процессы, приводящие к эффекту Джоуля — Томсона, сложнее, т.к. газ не изолирован энергетически от внешней среды. Он совершает внешнюю работу (последующие порции газа, справа от дросселя, теснят предыдущие), а слева от дросселя над самим газом совершают работу силы внешнего давления (поддерживающие стационарность потока). Это учитывается при составлении энергетического баланса в опытах Джоуля — Томсона.

Рис.2. Схема опыта, к объяснению

Выделим мысленно часть газа, ограниченную сечениями 1 и 2. По мере движения газа по трубке эти сечения перемещаются. Пусть спустя некоторое время они оказываются в положениях и соответственно. Поскольку за перегородкой та же порция газа занимает больший объем, чем перед перегородкой, сечение 2 переместится на больший отрезок, чем сечение 1. Напишем для выделенной порции газа уравнение первого начала
термодинамики. Расширение газа происходит без теплообмена с внешней средой (адиабатически). Поэтому приращение внутренней энергии газа должно равняться
совершенной над ним работе:

(1.1)

Работу над данной порцией газа совершает граничащий с ней газ. Слева на выделенную часть газа действует сила p₁S (S — сечение трубки), направленная в сторону движения. Справа действует сила p₂S, противодействующая движению. В итоге над рассматриваемой порцией газа совершается работа:

Замечая, что Sl₁ есть объем V₁, занимаемый газом до расширения, a Sl₂ — объем V₂ после расширения, можно написать, что

Подставив это выражение в U₂-U₁=A, мы приходим к следующему соотношению:

(1.2)

Таким образом, в условиях опыта Джоуля — Томсона сохраняется не внутренняя энергия газа, а являющаяся функцией состояния величина U + pV. В термодинамике эту функцию называют энтальпией.

Будем вести расчет для киломоля газа. После расширения газ имеет большой объем, так что его можно считать с достаточной степенью точности идеальным. Поэтому можно положить равным RT₂, а U₂=C_vT₂.

Рассмотрим применение в опыте Джоуля-Томсона газа Ван-дер-Ваальса, уравнение для одного моля которого имеет вид:

(1.3)

где p – давление, оказываемое на газ из вне (равное давлению газа на стенки сосуда), а и b — константы Ван-дер-Ваальса, имеющие для разных газов различные значения, определяемые опытным путем, V – объем киломоля газа.