Калининский район ГОУ СОШ № 139

Городская школьная конференция «М.В. Ломоносов: идеи, опыты, победы»

Тепловые процессы в работах М.В.Ломоносова: от теории к практике

Денисенко В. 8-1 класс Руководитель работы Винницкая С.А.

Санкт-Петербург 2011

Оглавление

1. Введение.

Мой город Санкт-Петербург находится на шестидесятой параллели северной широты. Это единственный в мире мегаполис, имеющий такое географическое положение. Меня, как жительницу северного города, очень беспокоит проблема теплосбережения и, как следствие, представляет интерес явление теплообмена. Именно поэтому темой своего исследования я выбрала тепловые процессы в работах М.В. Ломоносова. В своей работе я опишу опыты, демонстрирующие явления теплообмена и зависимость скорости теплообмена от температуры окружающей среды, массы и рода вещества.

2. Молекулярно-кинетическая теория: от Ломоносова до наших дней.

Из истории вопроса

Знакомясь с наследием Ломоносова, я встретила термин «теплород». Согласно распространённым в XVIII — начале XIX века воззрениям теплород – это невесомая материя, присутствующая в каждом теле и являющаяся причиной тепловых явлений. Впервые эта теория была выдвинута Робертом Бойлем. В основе этой теории лежало представление о некой «огненной материи», посредством которой распространяется и передается тепло, а также огонь. Согласно теории приток теплорода в тело должен вызывать его нагрев, убыль - охлаждение. Количество теплорода во всех тепловых процессах должно оставаться неизменным. Теория теплорода объясняла на тот момент многие известные в то время тепловые явления. Только один ученый поставил эту теорию под сомнение, это был М.В.Ломоносов. Он предлагает свою теорию, в которой убирает лишнее понятие теплорода. Это была и есть корпускулярно-кинетическая теория тепла М.В. Ломоносова.

Основные положения молекулярно-кинетической теории

Если внимательно вчитаться в основные положения корпускулярно-кинетической теории М.В. Ломоносова, то можно прийти к выводу, что современная молекулярно-кинетическая теория вещества основывается именно на этой теории Ломоносова. Предлагаю провести параллели.

Итак, М.В. Ломоносов в своей диссертации «Элементы математической химии» (1741 год) пишет: «Элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших и отличающихся от него тел…Корпускула есть собрание элементов, образующее одну малую массу… Корпускулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом… Корпускулы разнородны, когда элементы их различны и соединены различным образом или в различном числе; от этого зависит бесконечное разнообразие тел… Смешанное тело есть то, которое состоит из двух или нескольких различных начал, соединенных между собою так, что каждая отдельная его корпускула имеет такое же отношение к частям начал, из которых она состоит, как и все смешанное тело к целым отдельным началам.» В более поздней работе (1748 год) он вместо «элемента» употребляет слово «атом», а вместо «корпускула» — партикула — «частица» или «молекула». А теперь сравним - первое положение современной молекулярно-кинетической теории гласит: «любое тело состоит из большого числа малых твердых частиц – молекул и атомов».

Далее Ломоносов в своей работе «Элементы математической химии» пишет: «Все изменения тел происходят посредством движения… изменения смешанного тела происходят также посредством движения». Это положение перекликается со вторым положением молекулярно-кинетической теории, в котором говорится, что атомы и молекулы любого вещества находятся в непрерывном хаотичном движении.

И, наконец, последнее, чему Ломоносов уделил особо пристальное внимание в работе «Размышления о причине теплоты и холода» это обоснование изменения температуры тела и теплообмена. Он пишет: «совершенно очевидно, что достаточное основание теплоты заключается в движении. А так как движение не может происходить без материи, то необходимо, чтобы достаточное основание теплоты заключалось в движении какой-то материи». Он также конкретизирует, какое именно движение является причиной теплоты: «Так как тела могут двигаться двояким движением - общим, при котором все тело непрерывно меняет свое место при покоящихся друг относительно друга частях, и внутренним, которое есть перемена места нечувствительных частиц материи, и так как при самом быстром общем движении часто не наблюдается теплоты, а при отсутствии такового движения наблюдается большая теплота, то очевидно, что теплота состоит во внутреннем движении материи ……так как количество теплоты соответствует количеству связанной материи тел, то очевидно, что достаточная причина теплоты заключается во внутреннем движении связанной материи тел». Более того, внутреннее движение М.В. Ломоносов делит на поступательное, колебательное и вращательное. И доказывает, что «теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи». Именно эти рассуждения и выводы легли в основу третьего положения молекулярно-кинетической теории, который гласит - молекулы взаимодействуют друг с другом, скорость движения молекул зависит от температуры вещества.

Большое внимание Ломоносов уделил опровержению теории теплорода, который считался основным тепловым элементом. Он критически рассматривает все доводы, которые послужили основанием для введения в физику теплорода. Этими доводами являлись: увеличение веса тела при нагревании, которое происходит будто бы потому, что в нагреваемое тело входит теплород; увеличение веса тела при сгорании вследствие этой же причины; создание высокой температуры в фокусе собирающего зеркала и снижение температуры смеси снега и соли. Шаг за шагом Ломоносов опровергает все эти утверждения.

Он не верил в огненную материю и подверг ее в своих размышлениях о причине теплоты и холода такой беспощадной критике, что члены Конференции, по прослушании диссертации, вернули ее Ломоносову для смягчения выражений, употребленных им по адресу Р. Бойля. В этой же диссертации Ломоносов говорит о возможности другого объяснения увеличения веса металла при обжигании - а именно, от соединения металла с воздухом, все время окружающим обжигаемый металл. Эта же мысль высказана им и в письме к Л. Эйлеру (5 июля 1748 г.).

Но против такого предположения говорило одно обстоятельство. Как упомянуто, Р. Бойль подтвердил свою гипотезу опытом, заключавшимся в следующем (1673). Р. Бойль взял кусок свинца, поместил его в стеклянную реторту (сосуд с длинной, направленной вниз, шейкою), герметически ее заплавил и взвесил. Затем он нагрел ее в таком виде на огне, и свинец перешел в окалину; после этого он вскрыл реторту (причем Р. Бойль отметил вхождение в нее воздуха со свистом, как признак герметического запаивания реторты) и снова взвесил: оказался привес, для объяснения которого он и предложил свою гипотезу о способности огненной материи проходить через стекло реторты и затем соединяться с металлом.

М.В.Ломоносов в химической лаборатории

(рисунок В.В. и Л.Г.Петровых, 1959 г.)
Ломоносов повторил этот опыт в 1756 г.; сам он пишет об этом следующее: "Делал опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойла мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере". Ломоносов констатировал, так же как Р. Бойль, что при вскрытии такой реторты после опыта в нее входит воздух. Тем самым было доказано: а) что привес металла при обжигании обусловлен соединением его с воздухом; б) что объяснение процесса обжигания металла при помощи флогистона невозможно: если бы флогистон уходил из металла, то заплавленная реторта с металлом должна была бы иметь иной вес после нагревания. Все эти опыты были сообщены Ломоносовым Конференции Академии, но не опубликованы, а потому остались совершенно неизвестными.

Ссылаясь на известные в то время опыты зажигания пороха на дне моря, ученый спрашивает: «Откуда и по причине какой чудесной особенности моментально собирается эта огненная материя? Если она откуда-то слетается, то почему она не зажигает воду, через которую проходит?»

Ломоносов замечает, что увеличение веса сжигаемого тела нельзя объяснить тем, что в это тело входит теплород, так как при остывании прокаленного тела он должен выйти, а уменьшения веса при этом не наблюдается.

Таяние снега, смешанного с солью, сторонники вещественной теории теплоты объясняли тем, что теплород выходит из воды (и она поэтому замерзает) и входит в снег, который от этого нагревается и тает. Тогда Ломоносов предлагает вставить в снег с солью термометр, после чего можно будет убедиться, что в момент таяния снег делается холоднее. Это явление опровергает утверждение, будто теплород входит в снег.

Для опровержения теории теплорода Ломоносов использует и такой факт, как выделение теплоты животными: «От животных непрерывно распространяется теплота и нагревает близкие к ним тела. Многие из животных никогда не потребляют теплой пищи. Сторонники и защитники теплотворной материи, объясните, каким путем она входит в животных неощутимо, а выходит ощутимо? Разве она, когда входит, бывает холодной? Это значит теплота холодная; равно как свет темный, сухость мокрая, жесткость мягкая, круглость четырехугольная».

Однако Ломоносову не суждено было убедить современников в справедливости своих взглядов. Только в 1798 г. английский ученый Бенджамин Томсон (граф Румфорд) наблюдал за сверлением каналов в орудийных стволах. Он был поражен выделением большого количества теплоты при этой операции. Усомнившись в существовании теплорода, Румфорд решил поставить ряд специальных опытов. При одном из них в металлической болванке, помещенной под воду, высверливалось отверстие с помощью тупого сверла, приводимого в движение силой двух лошадей. Спустя два с половиной часа вода закипела. "Изумление окружающих, увидевших, что такая масса воды закипает без огня, было неописуемо" - вспоминал Румфорд. Из своих опытов он сделал вывод, что никакого теплорода не существует, а причина теплоты заключается в движении. В 1799 г. английских физик и химик Гемфри Дэви произвел новый эксперимент, который тоже свидетельствовал против теории теплорода. Опыт Дэви состоял в следующем: под колокол воздушного насоса, откуда предварительно был выкачан воздух, помещались два куска льда при температуре 0’С. Оба куска можно было тереть друг о друга при помощи специального часового механизма. При трении лед таял, причем температура получившейся воды оказалась на несколько градусов выше 0’С. С точки зрения теории теплорода этот опыт совсем необъясним, поскольку удельная теплоемкость льда меньше, чем у воды. Отсюда Дэви заключил, что теплота могла появиться только в результате движения. Опыты Румфорда и Дэви нанесли теории теплорода сокрушительный удар.

Исследовательская работа

Исследовательскую часть своей работы я посвящаю теме «Определение факторов, от которых зависит скорость охлаждения жидкости».

Цель: Изучить зависимость скорости охлаждения жидкости от рода вещества, массы и температуры окружающей среды.

Оборудование: Спиртовой термометр, секундомер, стакан, вода, подсолнечное масло, лед, мензурка.

Задача 1. Выяснить, является ли зависимость температуры охлаждающейся жидкости от времени линейной.

Цена деления термометра С=(20-10)/10=1^оС

Возьмем 100 мл воды при 77^оС, температура воздуха равна 26^оC

Таблица измерений.

Время, с	Температура, оC
0	77
21	75
47	73
76	71
107	69
141	67
178	65
219	63
261	61
310	59
361	57

Вывод: Температура от времени зависит не линейно: чем меньше разность между температурой воды и окружающей среды, тем медленнее вода остывает.

Задача 2. Определить, как меняется скорость охлаждения жидкости при уменьшении температуры окружающей среды.

Возьмем 100 мл воды 77^оС. Поместим стакан с водой в сосуд, заполненный водой и тающим льдом. Температура воды со льдом, которые являются окружающей средой для исследуемой жидкости, равна 0^оC

Таблица измерений.

Время,с	Температура, оC
0	77
2	75
4	73
6	71
8,5	69
11	67
13,5	65
16	63
19	61
22	59
25	57

Вывод: Скорость охлаждения жидкости зависит от температуры окружающей среды: чем ниже температура окружающей среды, тем быстрее охлаждается вода.

Задача 3. Определить, зависит ли скорость охлаждения жидкости от массы охлажденного вещества.

Увеличим массу воды в 2 раза. Для этого возьмем 200мл воды при температуре 77^оC, температура окружающей среды равна 26^оС.

Таблица измерений.

Время,с	Температура, оC
0	77
43	75
90	73
143	71
200	69
263	67
336	65
413	63
499	61
587	59
688	57

Вывод: При увеличении массы воды в два раза скорость охлаждения жидкости уменьшается почти вдвое.

Задача 4. Определить, зависит ли скорость охлаждения жидкости от рода вещества.

Для проведения эксперимента используем подсолнечное масло. Масса подсолнечного масла равна 100г. Так как у меня нет весов, я воспользуюсь значением плотности подсолнечного масла для определения нужного мне объема. Плотность подсолнечного масла 923 кг/м³=0,923 г/см³. V=100г/0,923г/см³= 108 см³. Для проведения эксперимента возьмем 108мл подсолнечного масла. Температура окружающего воздуха равна 26^оС.

Таблица измерений.

Время, с	Температура, оC
0	77
51	75
104	73
159	71
219	69
280	67
343	65
407	63
473	61
541	59
622	57

Вывод: При смене рода вещества скорость охлаждения жидкости изменяется.

Итоговый вывод: Скорость охлаждения жидкости зависит от температуры окружающей среды, рода вещества и от массы. Чем меньше разность между температурой воды и окружающей среды, тем медленнее вода остывает. Чем ниже температура окружающей среды, тем быстрее охлаждается вода. При увеличении массы воды скорость охлаждения жидкости уменьшается. При смене рода вещества скорость охлаждения жидкости изменяется.

3. Заключение.

Значение теплообмена, действительно, очень велико. Мы используем его ежедневно и в бытовой сфере, и в технике. Зная законы теплообмена, характер изменения температуры веществ, можно это использовать на практике. Например, молодые мамы для ускорения остывания напитков для младенцев и маленьких детей, помещают сосуд с горячей жидкостью под струю холодной воды и тем самым добиваются быстрого остывания. Также существует специальный способ приготовления пищи на «водяной бане», при котором термообработка и приготовление пищи происходит в емкости, находящейся в кипящей или горячей воде. Теплообмен широко применяется и в технике, например, для охлаждения турбинных двигателей, где система охлаждения рассчитана на отвод большого количества теплоты. Иногда это достигается установкой радиатора большего размера, а у двигателей с воздушным охлаждением – увеличением количества охлаждающего цилиндры воздуха. Мне, гражданке России, приятно осознавать, что открыл это явление и положил начало дальнейшим открытиям на основе молекулярно-кинетической теории великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов.

4. Список использованной литературы:

1.Ломоносов М. В. Elementa chimiae mathematicae = [Элементы математической химии] / Пер. Б. Н. Меншуткина // Ломоносов М. В. Полное собрание сочинений / АН СССР. — М.; Л., 1950—1983.

Т. 1: Труды по физике и химии, 1738—1746. — М.; Л.: АН СССР, 1950. — С. 65—83.

2.Ломоносов М. В. Meditationes de caloris et frigoris causa auctore Michaele Lomonosow = [Размышления о причине теплоты и холода Михайла Ломоносова] / Пер. Б. Н. Меншуткина // Ломоносов М. В. Полное собрание сочинений / АН СССР. — М.; Л., 1950—1983.

Т. 2: Труды по физике и химии, 1747—1752 гг. — М.; Л.: АН СССР, 1951. — С. 7—55.

3. Ломоносов: Краткий энциклопедический словарь / Сост. Э.П. Карпеев. – М., 2009. – 480 с.

4. Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. От древнейших времен до начала XIX в. — М.: Наука, 1969

5. М. В. Ломоносов в воспоминаниях и характеристиках современников // Изд. АН СССР, 1962.

6. Большая советская энциклопедия: В 30 т. - М.: "Советская энциклопедия", 1969-1978.

7. Электронная библиотека Wikipedia