Эссе раздела


Онтология движения и структура его физической модели


 

Когнитивная структура физической задачи


 

Самодостаточность физического казуса и несамодостаточность норматива


 

Пустота и дефицит


 

Послойный анализ и проблема ограничивающей его «нерасслаиваемой позиции»


 

Деизолирующее вмешательство - инициатор события «кинетического выброса»


 

Метрологический факт и общая теория комплементарности


 

Способность физической сохранности


 

«Синергетизм» как деупорядочение предзаданного формализма


 

Философское объяснение работы D-триггера (в схеме делителя частоты)


 

Онтология процедуры сенсорного съема


 

Физические принципы общей теории относительности


 

«Курс физики», Отдел первый, ВВЕДЕНИЕ


 

«Курс физики», Том первый, избранное: Констуитивы механики и измерения


 

«Курс физики», Том второй, избранное: Резонанс и учение о лучистой энергии


 

«Курс физики», Том третий, избранное: Теплота и начала термодинамики


 

Ядерные процессы в поле релятивистского фемтосекундного лазерного излучения


 

Новые основания качественной физики


 

Физический и феноменологический миры


 

«Курс физики», Том первый, избранное:
Констуитивы механики и измерения

Хвольсон О.Д.

«Курс физики», Издание К.Л. Риккера, 1897, т I., с.48 и далее

Содержание

(т. I, сс. 48-49)

§ 1. Вступление. Механикой называется учение о движении физических тел и о тех причинах, от которых может зависеть характер этого движения в различных частных случаях. В настоящее время механика, разросшаяся в весьма обширную науку, составляет отдельный предмет преподавания и ей посвящены многочисленные специальные учебники и курсы. В этом, втором отделе нашего курса мы, не гоняясь за полнотой, рассмотрим исключительно только те вопросы механики, к которым нам в последующем придется обращаться неоднократно и без предварительного своевременного изучения которых нет возможности разобраться в таких явлениях или теориях, которые, по своему характеру, должны быть включены в курс физики.

В главе I мы рассмотрим некоторые свойства движения, не затрагивая вовсе вопроса о причинах, которыми это движение вызывается.

Прежде чем говорить о движении физического тела, разные части которого могут в один и тот же момент обладать различными движениями, мы обратимся к более простому случаю - к движению материальной точки.

Материальной точке мы приписываем следующие свойства:

1. Материальная точка способна двигаться, т.е. менять свое положение в пространстве.

2. Она содержит некоторое количество материи.

3. Она подвержена воздействию остального мира.

Никаких других свойств мы пока не приписываем материальной точке и, прежде всего, мы не обращаем внимания на её протяженность, хотя может показаться, что это противоречит тому, что она содержит материю. Однако мы предполагаем, что материя, сосредоточенная около материальной точки, занимает столь малое пространство, что все части этой материи, ни по свойствам, ни по характеру движения друг от друга не отличаются. Поэтому и не приходится рассматривать протяженности материальной точки, и мы можем допустить, что она этим свойством не обладает вовсе. Неизменяемой системой точек называется совокупность произвольного числа материальных точек, которые могут двигаться только с соблюдением условия неизменности взаимных их расстояний.

Всякое физическое тело может быть разделено мысленно на бесконечное число бесконечно малых элементов, из которых каждый может быть принят за материальную точку, между тем, как элемент геометрического тела, понятно, не может быть принят за точку геометрическую. Эта разница является следствием того, что материальная точка содержит материю, по существу не могущую не занимать пространства,

В некоторых отделах физики (в теории упругости и др.) приходится рассматривать «элементы физического тела», из которых каждый обладает не вполне одинаковыми свойствами или движениями во всех своих геометрических точках. Такой «элемент» уже не может быть уподоблен материальной точке.

Физические тела не представляют неизменных систем материальных точек. Это весьма важное обстоятельство, показывающее, что результаты изучения свойств неизменной системы не приложимы, без надлежащих оговорок, к физическим телам.

Мы рассмотрим, прежде всего, движение материальной точки.

(т. I, сс. 184 -186)

§ 4. Actio in distans. Термином «actio in distans», т.е. «действие на расстоянии» обозначается одно из наиболее вредных учений, когда-либо господствовавших в физике и тормозивших её развитие: это учение, допускавшее возможность непосредственного действия чего либо (A) на что либо другое (B), находящееся от него на определенном и столь большом расстоянии, что соприкосновения между A и B происходить не может.

История этого учения следующая. Ньютон открыл, что движение как небесных светил, так и тел, падающих на земной поверхности, происходят так, как если бы все тела взаимно притягивались с силой, величина которой определяется формулой (1) или (12). Вопроса о причинах появления этой силы он не касался, отклоняя всякие попытки к его решению словами «hypotheses non fingo». Нигде и никогда он, однако, не высказывался за возможность actionis in distans, не утверждал, что тело A непосредственно притягивает к себе тело B, т.е. производит движение там, где оно само не находится. Оставляя вопрос о механизме возникновения всемирного тяготения нетронутым, он, несомненно, придавал открытому им закону характер описательный: светила движутся и тела падают так, как они двигались и падали бы, если бы они взаимно притягивались. Ученик Ньютона, Cotes, в предисловии ко второму изданию «Principia», которого Ньютон не читал до его напечатания, впервые ясно выразил мысль об «actio in distans», о том, что тела непосредственно взаимно притягиваются. С одной стороны уверенность, что взгляд, высказанный в предисловии к его книге одобряется Ньютоном, с другой - грандиозное развитие небесной механики, целиком основанной на законе всемирного тяготения, как на факте, и не нуждавшейся в каких либо его разъяснениях, заставили ученых забыть о чисто описательном характере этого закона и видеть в нем законченное выражение действительно происходящего физического явления.

Идея о действии в даль, господствовавшая в прошлом столетии, получила новую пищу, еще более окрепла, когда, в конце столетия, из опытов Кулона оказалось, что и магнитные и электрические взаимодействия могут быть сведены к взаимодействиям особых гипотетических веществ (два электричества и два магнетизма), происходящим непосредственно в даль и по законам, вполне аналогичным закону Ньютона.

В первой половине текущего столетия actio in distans полновластно господствовала в науке.

Фарадей, величайший экспериментатор и физик-философ, первый высказал несообразность допущения, чтобы тело могло непосредственно возбуждать силы и движения там, где оно не находится. Оставляя к стороне вопрос о всемирном тяготении, он обратился специально к явлениям магнитным и электрическим, и указал на первенствующую роль, которую в этих явлениях играет промежуточная среда, заполняющая пространство между телами, как будто непосредственно действующими друг на друга. Здесь не место распространяться о дальнейшей истории этого вопроса, с которой мы познакомимся впоследствии. Достаточно сказать, что опыты, произведенные молодым, безвременно скончавшимся немецким ученым Генрихом Герцем (Н. Hertz), доказали справедливость основных взглядов Фарадея на роль промежуточной среды в упомянутых выше явлениях и навсегда изгнали мысль об actio in distans из учения об этих явлениях.

В настоящее время успело сделаться общим достоянием убеждение, что actio in distans не должна быть допускаема ни в одну область физических явлений. Но как ее изгнать из учения о всемирном тяготении? Это вопрос пока открытый, несмотря на бесчисленное множество различных в этом направлении попыток ученых, стремившихся дать «механическое» объяснение всемирному тяготению. Во всех этих объяснениях играет главную роль допущение существования особой мировой среды, влиянием которой и обуславливается возникновение тех ускорений, которые выражаются формулой (2). Не входя в эту область, пока еще фантазии, ограничимся немногими указаниями. Мы знаем, что в присутствии тела A (рис. 98) действует на тело B силой по направлению к A. Возникновение такой силы может быть понимаемо двояко: или как тяга, действующая на B со стороны aa (такой тягой представилась бы actio in distans) или как давление, производимое на B со стороны bb. К такому давлению и старались привести влияние присутствия тела A. Допускалось, напр., что частицы мировой среды, двигаясь, ударяют со всех сторон на всякое тело. Присутствие тела A как бы отчасти охраняет тело В от ударов частиц, идущих слева. Число толчков на тело B справа будет больше, чем слева, и вот этот-то избыток толчков якобы и есть причина возникновения силы f.

Предупреждая юных читателей не вдаваться в эту область фантазий, заметим, что прежде всего неизвестно, какая это «мировая среда»: тот ли эфир, о котором мы говорили раньше, или другая, особая, служащая причиной всемирного тяготения? Непреодолимое затруднение представляет далее тот факт, что частицы, находящиеся внутри притягивающего тела, вызывают такие же действия на внешние массы, как и частицы, лежащие у его поверхности, что сама материя так сказать абсолютно прозрачна для силы взаимного притяжения тел.

Может быть вопрос о всемирном тяготение никогда не будет решен; во всяком случае следует помнить, что actio in distans, изгнанная из области явлений магнитных и электрических, не должна быть допущена для объяснения какой бы то ни было группы физических явлений; что на нее следует смотреть только, как на удобную форму простого описания явлений: они происходят так, как если бы существовала actio in distans.

Некоторые полагают, что тяготение есть основное свойство материи, неразрывно с ней связанное и представляющее поэтому один из признаков её существования; никаких объяснений в этом случае быть не может и не требуется. Задача исчерпана - раз закон тяготения найден. С таким взглядом согласиться нельзя; проводить его в других отделах физики значило бы разрушать эту науку.

Теперь мы сможем пополнить недосказанное в двух предыдущих статьях.

На стр. 16 было упомянуто, что приписывать эфиру вес можно только с оговоркой. Теперь понятно, в чем эта оговорка заключается: если допустить, что причина всемирного тяготения материи заключается в особых свойствах эфира, то понятно, что нельзя и мысленно допустить возможности возникновения тяготения в самом эфире, даже при каких-либо особых, может быть вполне фантастических условиях, упомянутых на стр. 16.

На стр. 109 была высказана мысль, что в природе, может быть, вовсе не существует потенциальной энергии, что в таких случаях, когда нам кажется, что работоспособность совокупности двух тел является только следствием их взаимного расположения, в действительности мы имеем дело с кинетической энергией движения неизвестного нам вещества. Когда мы поднимаем груз, мы тратим часть энергии, запасенной в наших мышцах, на производство работы, результатом которой является, как мы говорим, потенциальная энергия притягивающихся двух тел. т.е. земного шара и приподнятого груза. Но если actio in distans не существует, если причина кажущегося притяжения кроется в движениях особой среды (хотя бы и эфира), то мы должны допустить, что прямым результатом поднимания груза является увеличение кинетической энергии движения этой среды; при падении тела эта энергия переходит в энергию движения груза.

(т. I, сс. 109 -112)

§ 7. Принцип II. Сохранение энергии. В предыдущих параграфах мы познакомились с энергией, как со способностью производить работу; работа же выражается или преодолеванием силы, сопротивляющейся движению тела, или преодолеванием инерции тела, т.е. увеличением его скорости. Далее мы рассмотрели различные виды энергии кинетической и потенциальной.

Эквивалентными количествами энергии различного вида называются количества, численно равные, т.е. соответствующие способности произвести одинаковую работу. Мы теперь можем формулировать:

Принцип II. Энергия не исчезает и не образуется вновь; но энергия одного вида может перейти в эквивалентное количество энергии другого вида. Это принцип сохранения энергии. Тщательное изучение окружающих нас явлений привело к открытию этой великой истины, составляющей один из главных фундаментов современной физики и играющей в ней одинаковую роль с принципом сохранения вещества, лежащим в основании химии.

Из принципа II вытекает ряд следствий.

Следствие 1. Результатом всякой произведенной работы R должно явиться эквивалентное этой работе количество энергии какой-либо формы. Действительно: работа R могла быть произведена только на счет запаса какой-либо энергии, который при этом уменьшается на некоторую величину J, численно равную R. Но второй принцип говорит, что энергия не может исчезнуть, но может лишь перейти в другой вид, а потому уменьшение данного запаса энергии на величину J должно сопровождаться одновременным появлением такого же количества J энергии той же или иной формы, которое и можно рассматривать, как результат или следствие произведенной работы R.

Все явления окружающей нас природы, если в них заключается признак чего-либо изменяющегося, существенно заключаются в превращениях одного вида энергии в другой. Работа является лишь промежуточным, связующим звеном: она производится на счет той энергии, запас которой уменьшается, а её результатом является эквивалентное увеличение запаса другой энергии. Система (или отдельное тело), обладавшая первым запасом, отдает энергию и «производит работу». Система, в которой накапливается новая энергия, является объектом, над которым остальной мир совершает работу, преодолевая исходящие от неё сопротивления; в этом случае условились говорить, что эта система совершает отрицательную работу.

Следствие 1 показывает, что всякое преодоление сопротивления сопряжено с появлением какой-либо формы энергии.

Для случая энергии движения, т.е. живой силы, все упомянутые здесь соотношения уже доказаны нами вполне строго: мы видели (стр. 104), что работа, совершенная на счет запаса живой силы системы, измеряется уменьшением этого запаса и что, наоборот, система, подверженная действию внешних сил. т.е. система, над которой внешние мир совершает работу или которая совершает отрицательную работу, приобретает живую силу, которая измеряется этой работой, заключающейся в преодолении инерции системы. Понятно, что мы при этом предполагаем, что вся работа идет только на увеличение скорости частей системы.

То, что строго доказано для живой силы, распространяется вторым принципом на все формы энергии: преодоление сопротивления всегда сопровождается появлением эквивалентного количества какой-либо формы энергии.

Следствие 2. Если система (или одно тело) возвращается к первоначальному состоянию, то вся работа, произведенная исходящими от неё силами, равна нулю. Принцип I показывает, что запас энергии системы принимает первоначальное значение, а потому произведенная ею работа должна равняться той работе, которая совершена над ней внешним миром и которую мы условились считать за отрицательную работу самой системы. Сумма работ системы равна след. нулю.

Принцип сохранения энергии в его самом общем виде не может быть доказан, т.е. выведен из начал механики. Если бы можно было доказать, что все силы, действующие в природе, суть силы центральные (см. стр. 95), то и принцип сохранения энергии мог бы быть выведен с полною строгостью. Но пока мы этого сделать не можем и должны смотреть на этот принцип, как на истину, добытую путем индукции и подтверждаемую всеми явлениями окружающей природы.

Следствие 3. Энергия системы, между которой и остальным миром нет механических соотношений, есть величина постоянная. Весь запас энергии, содержащейся в системе и могущий состоять из разнородных частей, может подвергаться всевозможным преобразованиям; полное количество энергии остается постоянным.

Не следует распространять этой истины на весь мир и говорить «энергия мира постоянна», ибо о мире как целом, мы ничего не знаем и потому не имеем права распространять на него того, что эмпирически найдено для доступной нашему наблюдению его части.

Мы упомянули, что в явлениях окружающей природы мы имеем дело с непрерывными превращениями энергии из одного вида в другой. Считаем излишним разъяснять это большим числом примеров; ограничиваемся немногими. Тело падает: переход потенциальной энергии поднятого тела в кинетическую энергии движения и затем, при ударе об землю, в теплоту, которая переходит в энергии лучистую. Колебание упругой пластинки: непрерывные переходы энергии упруго-измененного тела в энергии движения и обратно. Паровой двигатель: химическая энергия топлива в тепловую энергию пара и затем в энергию движения частей машины. Сгущение системы, напр. тумана при образовали светила: потенциальная энергия притягивающихся масс в энергии поступательного движения, а затем, когда происходит соударение частиц, в энергию тепловую. В растениях лучистая энергия солнечных лучей переходить в химическую энергию образующихся органических соединений, которая при питании человека и животных, сосредоточиваясь в мышцах, составляет запас энергии, которой, в определенной мере, располагает воля; при совершении человеком или животным работы, этот запас уменьшается. В дальнейшем мы встретимся со многими примерами перехода одного вида энергии в другой и применениями принципа сохранения энергии.

§ 8. Принцип III. Переходы энергии из одного вида в другой подчиняются еще одному принципу, который мы впоследствии разберем подробно, но на который мы, ради полноты, считаем необходимым указать уже здесь.

Принцип III. В превращениях энергии существует особого рода специфика. Одни превращения могут происходить сполна и сами собой, другие же лишь при особых условиях и притом только часть данного запаса энергии может подвергнуться рассматриваемому превращению. Напр., превращение «работы в теплоту», или, точнее, запаса любой формы энергии, потраченной на производство этой работы - в теплоту, может происходить само собой и притом вся работа может дать эквивалентное количество теплоты. При падении приподнятого камня вся его энергия движения превращается в теплоту; то же самое происходит при всяком трении, замедляющем движение. Вся энергия электрического тока может сама собою превратиться в теплоту. Наоборот, невозможно затратить данный запас тепловой энергии на производство работы без того, чтобы эта затрата не сопровождалась некоторыми посторонними явлениями, притом оказывается, что лишь часть запаса тепловой энергии полезно затрачивается на производство работы, другая же часть окончательно теряет способность при данных условиях произвести работу.

Другим примером превращения энергии может служить уменьшение кинетической энергии быстро движущихся частиц и одновременное эквивалентное увеличение энергии других, более медленно движущихся частиц, иначе выражаясь - переход тепла от более нагретого к более холодному телу. И это превращение постоянно происходит само собой. Обратное же превращение возможно только при особых условиях, которые рассмотрим впоследствии. Пока ограничиваемся этим кратким указанием на существование специфики в превращениях одного вида энергии в другой.

(т. I, с. 164)

§ 13. Физическое понятие о волновой поверхности. Мы пришли к понятию о сферической волновой поверхности в свободной изотропной среде, предполагая, что первоначально начинает колебаться только одна точка и что это колебание передается всем окружающим ее (со всех сторон) частицам. Но такой случай физически невозможен. Первоначальные колебания исходят всегда от частиц, лежащих в некоторой конечной, хотя иногда и небольшой части пространства и притом, во многих случаях, колебания различных частиц обладают неодинаковыми направлениями и фазами. Кроме того, от каждой отдельной колеблющейся частицы не передаются колебания одинаково во все стороны, но преимущественно или в плоскости, перпендикулярной к направлению колебаний, когда среда такова, что в ней могут распространяться колебания поперечные или по направлению первоначального колебания, когда среда способна к передаче колебаний продольных.

Из всего сказанного следует, что целой замкнутой волновой поверхности, окружающей со всех сторон область первоначального возбуждения движений и представляющей геометрическое место точек, до которых и одновременно доходят колебания и которые притом и находятся все в одинаковых фазах - в действительности не существует. Но небольшая часть геометрической волновой поверхности может иметь и физическое значение места точек, находящихся в одинаковых фазах. Для объяснения физических явлений мы должны поэтому ограничиваться рассмотрением лишь небольших участков волновой поверхности, во всяком случае видимых из места первоначального возбуждения колебаний под весьма небольшим углом. Так на деле всегда и поступают.

Для волновой линии дело представляется проще, когда колебания поперечные. В этом случае замкнутые волновые линии, все точки которых находятся при одинаковой фазе (кольца на поверхности воды), физически возможны.

(т. I, сс. 236 - 243)

§ 3. Манипуляции при измерениях. Всякое измерение физической величины распадается на ряд манипуляций, совокупность которых приводит к тем данным, из которых непосредственно, или путем различных комбинаций и вычислений получается искомое численное значение измеряемой величины.

Нет никакой возможности дать перечень тех манипуляций, с которыми приходится иметь дело при производстве физических измерений: о них следует прочесть в вышеупомянутых специальных сочинениях. Впрочем и они не могут заменить личного опыта, самостоятельного производства измерений, которое одно только может действительно научить делу.

Ограничиваемся немногими, но основными указаниями. При огромном большинстве физических измерений мы имеем дело с тремя последовательными манипуляциями: с установкой, наблюдением и отсчетом.

I. Установка заключается в правильном и, помещения и размещении приборов с соблюдением внутренних и внешних условий определяемых, как свойствами самих приборов, так и особенностями тех явлений, которые наблюдаются. Очень многие приборы должны быть установлены так, чтобы некоторая плоскость, в них содержащаяся, была горизонтальна. Такая установка весьма часто достигается с помощью уровней (см. ниже) вращением винтовых ножек прибора. Далее, прибор вообще должен быть установлен так, чтобы возможно и удобно было производить с ним измерения, чтобы определенные его части были обращены в надлежащую сторону. К внешним условиям, к которым необходимо отнестись с величайшей осмотрительностью, могут относиться: прочность установки прибора, который не должен подвергаться сотрясениям или напр. постепенным изменениям упомянутого горизонтального положения; это достигается установкой прибора на кронштейнах, прикрепленных к стене; или на каменных столбах, стоящих на крепких сводах или имеющих отдельный фундамент. Далее сюда относится влияние окружающей обстановки: возможность воздушных течений, изменение температуры (близость печи, наблюдателя, окна), влажности (влияющей напр. на длину коконовых нитей) и т. д.; действие приборов друг на друга; влияние соседнего железа или проводников, по которым текут электрические токи (на приборы магнитные) и т.д. Установка должна сопровождаться самым тщательным исследованием всех внешних условий, могущих влиять на показания прибора; эти условия должны быть устранены или величина их влияния должна быть принята в расчет.

II. Наблюдение при весьма многих измерениях заключается в таком постепенном изменении части прибора или положения внешнего предмета, которым достигается какой либо определенный результат, причем момент его достижения определяется в большинстве случаев наблюдением глазами, но иногда и по слуху или осязанием (см. ниже сферометр). Такого рода наблюдение иногда также называют «установкой» той или другой части так, чтобы был достигнута определенный результат. Манипуляция при этом должна быть возможна, но отсюда не следует, чтобы всякий ее мог исполнить с первого раза. Уменье производить ее иногда достигается лишь долгим упражнением, а точность наблюдения, т.е. возможно близкое улавливание именно того момента, когда достигается определенный результат, может произвести только «искусный» наблюдатель.

Перемещение части прибора, или внешнего предмета в очень многих случаях производится вращением головки винта и лишь редко передвижением от руки (некоторые фотометры). При этом весьма часто оказывается возможным произвести установку с двух противоположных сторон и сделав ее два раза, сперва с одной, потом с другой стороны, достигнуть более точного результата. Весьма большое внимание следует обратить на т. наз. мертвый ход винта: если винт сперва был вращаем в одну сторону, причем перемещалась какая-либо часть прибора и если затем начать вращать винт в другую сторону, то подвижная часть прибора, на которую он действует, не тотчас начинает им увлекаться, так что величина вращения винта не может служить мерой передвижения этой части прибора. Экспериментатор должен решить, каким способом в каждом данном случае исключить вредное влияние мертвого хода: или делая при каждом измерение два наблюдения с двух противоположных сторон, т.е. вращая сперва винт в одну, а, при следующем наблюдении в противоположную сторону, или производя ряд последовательных измерений, вращая головку винта постоянно в одну и ту же сторону.

Выше было неопределенно сказано, что передвижение части прибора производится до тех пор, пока на глаз, на слух или на ощупь не окажется достигнутым некоторый определенный результата. Этот результат по своему характеру может быть весьма различен; наиболее часто он заключается в том, что две наблюдаемые величины, экстенсивные (напр. длина, угол) или интенсивные (напр. сила звука, степенью освещения), количественно должны сделаться равными. Сюда можно отнести случай, когда должна быть достигнута одинаковая окраска двух поверхностей, одинаковая высота двух звуков и тому подобные равенства качественные.

Мы не в состояние уловить момента, когда две величины, наблюдаемые нами, находятся в определенном отношении друг к другу, напр. одна в два раза интенсивнее другой; зато вопрос о достигнутом равенстве или неравенстве при навыке решается с большой точностью.

При весьма многих методах измерения приходится наблюдать момент исчезновения определенного явления; такие методы мы назовем нулевыми. Они особенно ценны, ибо судить о присутствии или отсутствии впечатления на органы чувств мы можем еще точнее, чем о равенстве двух впечатлений. Впрочем тут нельзя провести резкой границы, ибо иногда самое исчезновение явленья сводится для нас к том что два ощущение делаются равными, напр. когда на светлом фоне наблюдается пятно или полоса (фотометры) и требуется уловить момент, когда они исчезают, т.е. когда яркость места, ими занимаемого делается равной яркости окружающего фона.

При весьма многих измерениях приходится доводить до возможно полного совпадения две точки, черту и точку или две черты, подводя одну из них, подвижную, к другой, неподвижной. И здесь требуется навык: ибо «точка» и «черта» в сущности представляют малый кружок и узкую полосу; совпадать должны геометрические их середины.

«Наблюдение», в смысле точной установки части прибора, которые мы здесь привели, как вторую из трех главных манипуляций. при некоторых измерениях совершенно отсутствует и заменяется простой манипуляцией, вызывающей в самом приборе какое-либо передвижение или вообще изменение. Так, напр. замыкание тока вызывает вращение магнита гальванометра, подогревание (при измерениях коэффициента расширения, точки плавления и кипения и т. д.) вызывает перемещение ртути термометра и т.д.

III. Отсчет бывает двоякий: длины и времени.

Отчет длины делается на шкале, расположенной вдоль прямой или вдоль окружности круга; требуется определить числовое значение шкалы, соответствующее определенной её точке. Если эта точка приходятся между двумя целыми делениями шкалы, то доли деления определяются по глазомеру.

Отчет времени делается: 1) но слуху помощью счетчика, отбивающего секунды или полусекунды, причем требуется определить момент, когда происходит наблюдаемое явление и 2) помощью особых приборов, называемых хронографами (см. ниже) и дающих возможность отсчет времени вполне заменить отчетом длины.

§ 4. Некоторые подробности, относящиеся вообще к производству физических измерений. Указав на установку, наблюдение и отсчет, как на главные манипуляции, на которые распадается всякое физическое измерение, прибавим еще небольшое число общих указаний, которые могут быть полезны для начинающих.

1. Искусство производить хорошие, т.е. точные измерения данным прибором, заключается в умении достигнуть крайних пределов того, что этот прибор может дать. Для грубых, приблизительных измерений, которыми часто довольствуются в технике (особенно в электротехнике), могут служить простые приборы, настолько удобные, что манипулировать с ними научается всякий иногда в несколько минут. Совсем другое, когда речь идет о научном исследовании при условии достижения крайних возможных пределов точности. Здесь требуется тщательное изучение свойства, прибора, та осмотрительность и тот навык, о которых было сказано выше. Искусный наблюдатель и с плохим прибором достигнет лучших результатов, чем неискусный с прибором хорошим и усовершенствованным.

2. Где только возможно, следует каждое измерение повторять много раз сряду. Подчеркиваем это для юных читателей, которые, как оказывается, в начале весьма склонны ограничиваться одним единичным измерением.

Не следует забывать, что обыкновенно приходится затрачивать много времени и труда, чтобы добиться результата первого измерения, между тем как следующие, повторные измерения требуют все меньшего и меньшего времени и труда.

3. Когда измеряется влияние какого-либо действия A на некоторую величину B (напр. влияние изменения температуры на электрическое сопротивление проволоки), то следует или чередовать измерения этой величины B, когда имеется и когда не имеется действия A, или, по крайней мере, начав с измерения B без действия A и сделав ряд измерений при наличии этого действия, непременно вновь возвратиться к начальному состоянию, т.е. произвести опять измерение величины B без действия A. Этим мы убеждаемся, что во время нашей работы не произошло изменений в самом приборе или во внешней обстановке, могущих иметь влияние на его показания. Если обнаружилось такое изменение и оно не велико, то следует его принять во внимание. допуская, что оно происходило постепенно, пропорционально времени, истекшему от первого измерения.

4. Никогда не следует забывать записывать в начале ряда измерений, что и каким методом измеряется; далее место наблюдения и время, т.е. год, месяц, число и час, а при каждом отдельном измерение минуту и даже дробь, если это нужно, минуты или секунды. Почти всегда приходится записывать и температуру. Другие величины (давление и влажность воздуха, магнитное склонение и т. д.) отмечаются, если они могут иметь влияние на результат измерения.

5. Числовые данные, получаемые при непосредственных отсчетах лишь в редких случаях непосредственно равны тем числовым значениям измеряемых величин, которые мы желаем определить. Почти всегда искомая величина получается путем вычислений, на основании определенных формул, в которые должны быть «вставлены» результаты отсчетов. Следует принять за правило не накапливать множества измерений, не вычислив таковых, ибо результаты вычислений весьма часто могут дать важные указания касательно недостатков метода, внешних влияний и т. д. Сами вычисления, представляющие не редко труд, гораздо более кропотливый, продолжительный и, во всяком случае, скучный, чем производство измерений, следует располагать так, чтобы их легко можно было и обозреть и проверить. Пособием могут служить вычислительные машины и разные таблицы, как напр. таблицы Барлоу (Barlow, квадраты, кубы, квадратные и кубичные корни и обратные величины целых чисел) и Крелле (Crelle, Rechentafeln, таблицы умножения чисел).

6. Избранный метод измерения следует предварительно подвергнуть теоретическому исследованию для определения условий наибольшей его чувствительности, которая будет достигнута, когда весьма малое изменение измеряемой величины вызовет возможно большее изменение отчета. Общие правила здесь даны быть не могут, кроме разве следующего: когда мы желаем измерить малую вариацию для величины Δх величины x, вызванную какой-либо внешней причиною (напр. изменение Δх сопротивления х части цепи при её нагревании или изменение Δх силы света х под влиянием магнитных сил. см. магнитное вращение плоскости поляризации), то следует стремиться к тому, чтобы начальное х было по возможности мало или даже равно нулю, или чтобы сама величина х не влияла на отсчет, который всецело должен зависеть только от Δх. Когда сопротивление х цепи весьма велико, то малое, по абсолютной величине, его изменение Δх не вызовет заметных изменений в силе тока, а след, и в показаниях инструмента (гальванометра); та же величина Δх вызовет большое изменение этих показаний, когда последние от х вовсе не зависят. Малое изменение Δх силы яркого освещения остается незаметным; та же самая по абсолютной величине Δх сила освещения, возникающая на темном фоне, весьма заметна.

Здесь играет большую роль психофизический закон Фехнера, гласящий, что одинаковые относительные изменения величины внешней причины, производящей раздражение в одном из наших органов чувств вызывают одинаковые абсолютные изменения ощущения.

7. Всякий теоретически установленный метод измерения представляет нечто отвлеченное или, если можно так выразиться, идеальное. При применении метода на практике почти всегда оказывается наличность целого ряда обстоятельств, влияющих на окончательный отчет и тем самым меняющих теоретическую формулу, которая должна нам дать искомое численное значение измеряемой величины. Принимая во внимание эти обстоятельства, мы должны ввести в наши вычисления поправки, чтобы получить истинное значение измеряемой величины.

Одна из главных забот лица, производящего измерения должна заключаться в отыскании всех тех побочных обстоятельств, которые могут влиять на результат измерения, и в определении соответствующих поправок.

Вычисляя эти поправки и стремясь тем самым к получению возможно точного результата, следует поступать весьма осмотрительно, чтобы не впасть в одну часто замечаемую ошибку. Дело в том, что различные обстоятельства могут иметь весьма неодинаковое влияние на результат измерения: одни поправки могут выражаться в целых процентах, другие в десятых, сотых или тысячных долях процента. Следует весьма остерегаться бесцельного введения малых поправок, когда не приняты во внимание поправки, сравнительно гораздо большие. Наблюдая качания коромысла весов, можно при взвешивании вводить поправки, представляющая 0,001% (и меньше) определяемого веса; но это бесцельно и составляет сущий самообман, если в то же время не ввести напр. поправки на потерю веса тела в воздухе, могущую превысить 0,1%.

8. Следует отличать абсолютную и относительную точность окончательного результата измерения, представляющегося в виде некоторого числа, положим, с десятичными дробями. Та и другая «точность» является той долей полученного числа, за достоверность которой мы считаем возможным поручиться. Если напр. вес тела оказался равным 125.0463 грамма и мы можем поручиться за то, что предпоследняя часть должна быть 6 (т.е. что вес больше, чем 125.0455 грамма и меньше, чем 125.0465 грамма), то абсолютная точность взвешивания составляет один миллиграмм, относительная же точность равна 0.00001. Когда точность мало или совсем не зависит от размеров измеряемой величины (угол, разность температур, иногда длина и время), то говорят только об абсолютной точности («до 0,1'' дуги», «до 0,01° С.», «до 0,001 мм.», «до 0.01 сек.»). В огромном же большинства случаев, говоря о точности результата измерения, подразумевают точность относительную. Она определяется порядком той цифры полученного числа, считаемой слева направо, за которую можно поручиться; при этом нули, стоящие слева, не считаются, если полученное число представляется в виде малой десятичной дроби, иногда вследствие случайного выбора единицы измерения. Первая цифра, не равная нулю, называется в этом случаи первой значащей цифрой и от неё ведется счет достоверных цифр. Если напр. измеренная величина оказалась равною 0,0016843 и мы можем поручиться за верность цифры 8, то это не значить, что точность равна 0,00001. Мы должны сказать, что величина измерена «с точностью до третьей значащей цифры» или до 0,01. Указание на «значащую цифру», впрочем, не особенно строго: если бы измеренное число было 0,0096843 и мы могли бы поручиться за верность цифры 8. то это была бы точность почти до 0,001.

Следует помнить, что между точностью отдельных измерений, на которые распадается определение численного значения некоторой величины, и точностью этого последнего определения может быть большая разница. Если напр. при измерении некоторой величины y (коэффициент кручения. см. отдел шестой) приходится попутно определять радиус x проволоки, приблизительно равный 0.4 мм. и если величина у пропорциональна x4, то даже при крайней достижимой абсолютной точности измерения x до 0,001 мм., может получиться ошибка в 1% в численном значение величины y. Правила дифференциального исчисления дают возможность без особого труда разобраться в подобных вопросах. Если мы имеем вообще y = f(x) - где x непосредственно измеряется, а y вычисляется по известной формуле, то возможная погрешность Δх при измерении x влечет за собою относи тельную ошибку Δy в определении y, которую можно с достаточной точностью выразить приближенным равенством:

Δy / y = f' (xх / f(x) = Δlgf(x)

9. Многократное повторение одного и того же измерения одним лицом и без изменения обстановки и метода всегда оставляет сомнение относительно возможности постоянно повторяющихся погрешностей, источниками которых могут служить неисправность прибора, неправильная его установка, посторонние внешние влияния и, наконец, субъективные ошибки наблюдателя. Вот почему варьирование метода измерения есть один из главных способов достижения точных результатов. Это варьирование может касаться деталей измерения или всего его метода.

Варьировать детали следует, непременно, где только тому представляется возможность, руководясь главным образом такими соображениями: положим, что есть повод допустить, что какая либо причина A имеет влияние на результат измерения, но что величина этого влияния не поддается точному определению. В таком случае следует постараться произвести измерение два раза, варьируя его так, чтобы влияние причины A имело при этих двух измерениях противоположные направления, т.е. при одном увеличивало, при втором уменьшало бы численный результат. Взяв среднее из результатов, мы этим «исключаем влияние причины A», хотя, конечно, и не вполне, ибо два противоположных влияния могут и не быть строго равными.

Где окажется возможным, надо стараться производить измерения величины по существенно различным методам, которые должны дать согласные между собою результаты.

(т. I, сс. 385-387)

Основания кинетической теории газов.

§ 1. Характер движения газовых молекул. Основателями кинетической теории газов следует считать Kroenig'a (1856) и Clausius'a (1857), хотя те идеи и представления, которые лежат в её основании, ранее были высказываемы и развиваемы многими учеными.

Кинетическая теория газов, в её простейшем виде, без тех дополнений и исправлений, которые мало-помалу были введены в нее, предполагает, что газовые молекулы, не действуя вовсе друг на друга (кроме как при столкновениях), движутся каждая, как вполне свободное тело, прямолинейно с некоторою скоростью, зависящею, как мы увидим, только от рода газа и от температуры. Направление движения резко меняется, когда молекула встречает на своем пути стенку сосуда, в котором газ заключен, или вообще преграду, или когда сталкиваются между собою две молекулы. В обоих случаях перемена направления движения происходит согласно с законами удара упругих тел.

Кроме прямолинейного в каждый данный момент движения молекулы, существуют в газе, однако, и еще другие движения. Во-первых, молекула, как целое, может вращаться около какой-либо оси; такие движения должны возникать при нецентральных ударах молекул друг о друга; во-вторых, возможны так наз. интрамолекулярные движения, т. е. движения (колебания, вращения) атомов, составляющих молекулу, около некоторых средних положений. Объемом, занимаемым молекулами, мы пренебрегаем, принимая их за точки, допуская, однако, возможность столкновений между ними; иначе говоря, мы пренебрегаем линейными размерами молекул сравнительно с их средним расстоянием друг от друга. Далее мы предположим, что молекулы не подвержены никаким внешним силам; пренебрегаем след., и влиянием на них силы тяжести.

Изложенный здесь взгляд на характер движения газовых молекул, а именно прямолинейность движения, непосредственно объясняет основные два свойства газов: их стремление занять, и притом равномерно, весь предоставленный им объем, и их упругость, т.е. то давление, которое они производят на тела, ограничивающая этот объем. Первое из этих свойств прежде объясняли взаимным отталкиванием частиц газа. Ясно, что если рядом с пространством A, занимаемым газом, окажется пустое пространство B, то все частицы, движущаяся по направленно к этому пространству B, не встречая препятствия, перейдут в него, пока не будет достигнуто равномерное распределение молекул, при котором в единицу времени столько же частиц перелетает из A в B, сколько из B в A. Равномерное распределение есть след. условие равновесия, не соответствующего однако покою, но, напротив, непрерывному обмену частиц без изменения их числа в каждой части пространства, не чрезмерно малой. В подобных случаях, часто встречающихся в различных областях физических явлений, говорят об установившемся подвижном равновесии.

Упругость газов в смысле давления, действующего на соседние с ними тела, объясняется теми толчками, которые эти тела претерпевают; от налетающих на них и отскакивающих молекул от «молекулярной бомбардировки», которой они подвергаются.

Чтобы получить с самого начала более правильное представление о характере движения молекул газа, укажем на следующие данные, к которым мы ниже вернемся. Скорость газовых молекул весьма велика; она напр. равна почти 500 метрам в секунду для молекул воздуха, возрастая для всех газов с температурой . Столкновения между частицами газа происходят невообразимо часто; так напр. молекула воздуха при обыкновенном давлении успевает, в среднем, пройти не более 0.0001 мм от одного столкновения до следующего. Принимая во внимание быстроту движения, мы видим, что всякая молекула претерпевает в каждую секунду до 5000 миллионов столкновений и столько же раз, вообще говоря, меняет направление своего движения. При сдавливании газа, число этих столкновений должно возрасти пропорционально плотности; когда воздух сжат до 100 атмосфер, мы имеем уже 500.000 миллионов столкновений в секунду. Все это вместе взятое рисует нам картину невообразимо хаотического состояния, в котором находится совокупность огромного числа молекул, весьма быстро движущихся по всевозможным направлениям, непрерывно между собою сталкиваясь.

(т. I, сс. 431-435)

отдел пятый

УЧЕНИЕ О ЖИДКОСТЯХ.

ГЛАВА ПЕРВАЯ. Основные свойства и строение жидкостей.

§ 1. Основные свойства жидкостей. Жидкости, подобно газам, не обладают самостоятельной формой, но принимают форму того сосуда, в котором они помещены. Подобно газам, жидкости также весьма мало сопротивляются изменению формы, т.е. деформациям. Но жидкости отличаются от газов прежде всего тем, что обладают определенным объемом, попытке изменения которого они противопоставляют весьма большое сопротивление; они не стремятся занять возможно больший объем и потому могут быть сохраняемы в открытых сосудах по крайней мере, в течение некоторого промежутка времени. Жидкость, не подверженная внешним силам и не вращающаяся около какой либо оси принимает форму шара, которая и должна считаться как бы за естественную ее форму.

Жидкости непрерывно и при всех условиях переходят в газообразное состояние; они испаряются. Быстрота этого перехода зависит от рода жидкости, от температуры, рода, давления и движения газа, окружающего «свободную» поверхность жидкости, т.е. ту, которая не находится в соприкосновении с твердым или другим жидким телом. Если жидкость находится в закрытом пространстве, то испарение через некоторое время как будто прекращается; в этом случай над жидкостью находится «насыщенный» ее пар, т.е. пар, достигший наибольшей, возможной при данной температуре, упругости. В открытом пространстве, испарение всякой жидкости продолжается непрерывно. Поэтому жидкая масса тогда только может самостоятельно существовать в мировом пространстве, когда она достаточно велика для того, чтобы вследствие ее притяжения могла образоваться вокруг нее атмосфера ее же пара, которая у ее поверхности была бы насыщена. Жидкая масса, не удовлетворяющая этому условию должна постепенно развиваться и так сказать исчезнуть.

Испарение сопровождается затратою энергии, которая в паре находится в потенциальной форме. Если нет притока энергии к жидкости от внешних тел, то жидкость при испарении охлаждается.

Подробнее мы рассмотрим явление испарения в учение о теплоте.

Идеальной или совершенной жидкостью мы называем такую, которая не оказывает никакого сопротивления внешней силе, изменяющей ее форму, и бесконечно большое сопротивление силе, стремящей уменьшить ее объем; такая жидкость след, абсолютно подвижна несжимаема.

Жидкости следуют закону передачи давления, известному под названием закона Паскаля. Тела, погруженные в жидкость, претерпевают кажущуюся потерю в весе, определяемую законом Архимеда.

Под влиянием изменения температуры изменяется объем жидкости, но несравненно меньше, чем объем газов. Коэффициент теплового расширения для различных жидкостей весьма различный.

§ 2. Строение жидкостей. Внутреннее строение жидкостей сложнее строения газов и притом усложнение выражается двояко. В газообразных телах мы считаем молекулы свободными, движущимися независимо друг от друга, если только не считать их случайных столкновений между собою. В жидкостях молекулы настолько сближены, что столкновения между ними должны происходить несравненно чаще, чем в газах; вследствие этого каждая отдельная молекула должна двигаться около некоторого среднего своего положения, меняющегося сравнительно весьма медленно. Тем не менее, постепенные перемещения молекул с одного места к другому происходят и в жидкостях, но гораздо медленнее, чем в газах.

Второе различие в строениях жидкостей и газов заключается в том, что на каждую молекулу жидкости действуют особого рода силы как бы исходящие от всех к ней соседних молекул, однако по-видимому не тожественные со всемирным тяготением, которое, само по себе, существует между молекулами жидкостей. Эти силы, законы которых еще мало известны и которые имеют заметную величину только при весьма малых расстояниях между молекулами, называются силами сцепления. Такие силы существуют, как мы видели, и в газах: в последних они весьма малы и потому большой роли не играют, особенно в газах, далеких от насыщения. В жидкостях, наоборот, существование этих сил непрерывно обнаруживается во множестве разнообразных явлений, и притом в особенности вблизи их поверхности. Дело в том, что когда молекула m (рис. 248) находится внутри жидкости, то она всех сторон окружена другими молекулами, действующими на нее силами сцепления. Все эти молекулы находятся внутри некоторой сферы, центре которой помещается рассматриваемая молекула, и радиус a которой равен тому наибольшему расстоянию, на котором силы сцепления производят еще ощутимое действие, т.е. действие не вполне ничтожное сравнительно с действием молекул соседних. Эта сфера называется сферой частичных действий. Все силы сцепления, действующие на центральную молекулу m, и направленные равномерно во все стороны вокруг нее, взаимно уничтожаются. Это относится ко всем молекулам внутри жидкости, где след, силы сцепления только регулируют величину среднего расстояния между молекулами. Таким образом, объем жидкости прежде всего определяется условием равновесия между стремлением движущихся молекул разлететься и сцеплением молекул между собою.

Рис. 248

Сказанное о взаимном уравновешивании сил сцепления, действующих на молекулу, перестает быть верным для молекулы m'', находящейся у самой поверхности, и окруженной только с одной стороны другими молекулами, составляющими полусферу частичного действия. Здесь у поверхности жидкости все силы сцепления складываются в одну равнодействующую R, направленную внутрь жидкости, нормально к ее поверхности; молекула как бы втягивается внутрь жидкости силой, удерживающей ее от вылета из жидкости. Это относится не только ко всем молекулам, находящимся у поверхности жидкости, но и к тем, которые находятся внутри жидкости, на расстоянии от ее поверхности, меньшем радиуса сферы частичного действия, как это видно из рис. 248; на молекулу т' действуют силы сцепления, из которых некоторые взаимно уравновешиваются; но остаются силы, исходящие от молекул сегмента, лежащего ниже плоскости st, симметричной относительно центра шара с плоскою поверхностью жидкости. Эти силы сцепления имеют некоторую равнодействующую R', которая однако меньше R. Плоскость M'N', находящаяся от поверхности MN на расстоянии радиуса сферы частичного действия, составляет нижнюю границу поверхностной пленки, частицы которой подвержены силам, направленным внутрь жидкости. Вся эта пленка производит давление на жидкость, которое можно уподобить давлению натянутого резинового шара на находящийся в нем воздух.

Итак, силы сцепления должны особенно резко проявляться в поверхностном слое жидкости. Чем больше поверхность жидкости сравнительно с ее массою, тем большую роль должны играть эти силы; поэтому они обнаруживаются особенно в отдельно взятых малых количествах жидкости. Стремление жидкости втянуть в себя молекулы, лежащие у ее поверхности, должно иметь следствием кажущееся стремление жидкости принять такую форму, при которой ее поверхность была бы как можно меньше. Наименьшей поверхностью при данном объеме обладает шар, поэтому малые количества жидкости, даже находясь под влиянием сил тяжести, принимают форму шариков, как это напр., наблюдается на весьма малых каплях ртути. Всякое увеличение поверхности жидкости требует затраты работы, ибо оно должно сопровождаться перенесением частиц, лежавших ниже упомянутой поверхностной пленки, в эту пленку и даже до самой поверхности жидкости; этому перенесению и препятствуешь сила R', увеличивающаяся по мере приближения частиц к самой поверхности. Поверхностная пленка как будто с одной стороны сама стремится уменьшить свою поверхность, с другой - сопротивляется всякой внешней силе, стремящейся увеличить ее размеры.

§ 3. Испарение жидкостей. Испарение с точки зрения кинетической теории жидкостей объясняется тем, что отдельным молекулам, лежащим у самой поверхности и обладающим в данный момент особенно большой скоростью, направленной во внешнее пространство, удается выйти из сферы частичного действия вылетать из жидкости, несмотря на удерживающую их силу сцепления. Если над жидкостью находится газ или пар другой жидкости, то вылетающие частицы встречаются с идущими им на встречу частицами, и отчасти ими отбрасываются обратно в жидкость, испарение которой поэтому происходить очень медленно. В пустоте испарение происходит гораздо быстрее и в весьма короткий промежуток времени достигает некоторого предела, который определяется следующим образом. Над испаряющейся жидкостью образуется ее же пар, частицы которого, ударяясь в ее поверхность, попадают в сферу частичного действия и удерживаются жидкостью. Предел испарения будет достигнут, когда в единицу времени столько же частиц вылетает из жидкости, сколько в нее попадает из окружающего пара; настает своего рода подвижное равновесие (стр. 386), при котором, несмотря на непрерывный обмен частиц, количества жидкости и пара остаются без изменения.

В этом случай мы говорим, что пар насыщен. Чем выше температура, тем больше энергия движения частиц, и тем больше число частиц, вылетающих в данное время из поверхности жидкости. Соответственно этому должно увеличиться и число частиц, влетающих в жидкость, т.е. должна увеличиться плотность, а след., и упругость насыщенного пара, как это и наблюдается в действительности.

Молекулы жидкости, как и молекулы газа, не обладают в данный момент одинаковыми скоростями: может быть, и к ним приложим, закон Максвелла (стр. 401). Наиболее шансов вылетать из жидкости имеют молекулы, обладающие особенно большою скоростью, а потому ясно, что при испарении должна уменьшаться средняя энергия движения частиц неиспарившейся жидкости; поэтому жидкости при испарении охлаждаются. Впрочем, это только иная точка зрения на факт, что при испарении жидкости должна быть совершена работа на преодоление сцепления между частицами, и что необходимая для этой работы энергия берется из самой жидкости, если не существует внешнего к ней притока энергии. Скорость частицы, вылетающей из жидкости, уменьшается вследствие противодействия сил сцепления, и потому температура пара всегда равна температуре самой жидкости.

Когда пар, охлаждаясь, сгущается в жидкость, то силы сцепления производят внутреннюю работу, начиная с момента, когда молекулы приближаются друг к другу на расстояние, равное радиусу сферы частичного действия. Результатом этой работы является задержка в уменьшении скорости молекул, т.е. в охлаждении, несмотря на продолжающийся отток энергии к окружающим телам. Из пара выделяется скрытая теплота ожижения.

§ 4. Строение молекул жидкости. Молекула жидкости построена по всей вероятности гораздо сложнее молекулы ее же пара, особенно если последний находится далеко от насыщения. По всей вероятности молекулы жидкости состоят из нескольких, а может быть и большого числа простых молекул, каковы газовые, соединенных в одно целое. Водяной пар состоит из молекул H2O, если допустить, что молекулы водорода и кислорода имеют состав H2 и O2. Состав же молекулы воды можно изобразить формулою 2O)n, где n - неизвестное число молекул пара (gazogenique по терминологии De-Heen'a), составляющих одну молекулу жидкости (liquidogenique). При испарении сложная молекула жидкости распадается на составные части, каковое явление можно назвать физической диссоциацией.

При нагревании жидкости одна часть притекающей теплоты тратится на повышение ее температуры, т.е. на увеличение кинетической энергии поступательного, а может быть и вращательного движения как целых молекул, так и их составных частей, т.е. молекул более простых и атомов. Вторая, вообще весьма малая, часть тепла тратится на внешнюю работу расширения жидкости; она как и для газов равна A ò pdv, где A термически эквивалент работы, p внешнее давление и v объем жидкости. Третья часть тепла идет на внутреннюю работу, которая со своей стороны в самом общем случае вероятно распадается на три части: на работу разъединения молекул жидкости друг от друга; на работу разъединения составных частей сложных молекул жидкости, и наконец на работу перемещения атомов или групп атомов, из которых состоит простая молекула (gazogenique). Эту последнюю часть тепла можно назвать скрытой теплотой химической диссоциации, а предпоследнюю скрытой теплотой физической диссоциации.

(т. I, сс. 535 -538)

ОТДЕЛ ШЕСТОЙ,

УЧЕНИЕ О ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ.

ГЛАВА ПЕРВАЯ. Вещество в твердом состоянии

§ 1. Характеристика твердого состояния вещества. Тела твердые отличаются от жидких прежде всего тем, что они обладают определенной формой, которая, вообще говоря, может быть изменена только под влиянием внешних, действующих на тело сил. Жидкие тела, как мы видели, не обладают определенной формой, сохраняя при данных условиях только неизменный, присущий им объем. Это показывает, что данным условиям соответствует определенное среднее расстояние между частицами жидкости, изменение (уменьшение) которого требует воздействия сравнительно весьма больших внешних сил. Изменение же взаимного расположения частиц может происходить в неограниченном размере под влиянием весьма малых внешних сил. Чем больше внутреннее трение или вязкость жидкости, тем труднее происходит внутреннее перерасположение частиц. Жидкости с очень большим внутренним трением составляют как бы переход к телам твердым, в которых не только среднее расстояние, но и относительное расположение частиц вообще не может подвергаться непрерывно возрастающим изменениям под влиянием малых внешних сил. Впрочем, существуют твердые тела, в которых заметен как бы остаток свойства жидкости, обладающей определенной, хотя и весьма большою вязкостью. Не говоря о том, что под влиянием огромных внешних сил большинство, а может быть и все твердые тела обнаруживают, как мы увидим, свойство текучести, оказывается, что в некоторых телах непрерывное, хотя и крайне медленное изменение формы вызывается продолжительным действием даже весьма небольших сил. В виде примера можно указать на то, что стеклянная палочка, подпертая в горизонтальном положении около своих концов, претерпевает постоянное изменение формы, мало-помалу искривляясь под влиянием сравнительно ничтожной силы, а именно своего же веса.

Внешние силы вызывают определенные перемещения частиц и след., изменения формы твердого тела, вполне или отчасти исчезающие вместе с этими силами. Относящиеся сюда явления упругости мы рассмотрим в особой главе.

Мы допускаем, что как в газообразных и жидких, так и в твердых телах частицы находятся не в покое, но в состоянии весьма быстрого и сложного движения, причем однако каждая частица не удаляется из некоторой малой части пространства, расположенной вокруг ее среднего положения. Впрочем, существуют причины допустить и для твердых тел возможность некоторых, хотя и весьма медленных изменений среднего положения частиц, даже без влияния внешних сил. Дело в том, что расположение частиц твердого тела может быть весьма различное и соответственно этому бывает различна и т. наз. «структура» тела, которую можно назвать физической, для отличая от структуры химической, определяемой расположением атомов в химической молекуле. У жидкостей ничего подобного физической структуре не существует; их свойства вполне определяются химическим составом и физическими условиями. Свойства же твердых тел, кроме того, зависят еще от специального в каждом данном случае распределения частиц, т.е. от их структуры.

Существуют случаи, когда без заметного действия внешних сил те или другие свойства твердых тел мало-помалу изменяются, что и может быть объяснено только постепенным, хотя и очень медленным изменением структуры, а это в свою очередь указывает на перераспределение частиц, изменивших свои средние положения. Такому изменению структуры способствуют внешние причины, хотя бы временно увеличивающие удобоподвижность частиц, каковы напр., сотрясения. В виде примера можно указать на постепенное изменение структуры осей железнодорожных вагонов, которая из волокнистой переходит в более хрупкую кристаллическую.

Внешние силы, стремящиеся изменить распределение частиц, а вместе с тем и форму тела, встречают сопротивление, причина которого кроется в особого рода силах, препятствующих всякому изменению расстояния между частицами. Эти силы, о которых мы в предыдущих отделах упоминали неоднократно, называются молекулярными или междучастичными или также силами сцепления. Они существуют и при нормальном распределении частиц, мешая телу распасться на те частицы, из которых оно состоит; но главным образом они обнаруживаются при всяком изменении расположения частиц, которому они препятствуют. В чем заключается сущность сил сцепления, как следует понимать их происхождение и, главное, по какому закону происходит их действие - это вопросы, на которые современная наука не может дать удовлетворительного ответа. Во всяком случай и в твердых телах эти силы действуют лишь на весьма малых расстояниях. Поэтому части сломанного твердого тела, при сложении и даже сильном сдавливании, вообще говоря, вновь не сращиваются. Такое сращивание происходит однако при весьма огромных давлениях, когда достаточное сближение частей вызывает полное развитие молекулярных сил между частицами.

Частицы твердых тел, находясь в движении, непрерывно сталкиваются между собою и притом вероятно еще чаще частиц жидкостей. «Кинетическая теория твердых тел» находится, однако, пока еще в зародыше. Поверхностные частицы твердых тел, как и в жидкостях, но несравненно реже, могут при исключительно благоприятных условиях вылететь из массы тела, иначе говоря, твердое тело может непосредственно испаряться. Возможно, что такое испарение постоянно происходит на поверхности всех твердых тел, но в столь незначительной степени, что убыль массы даже в большой промежуток времени не может быть замечена. Бывают однако случаи, когда это испарение делается заметным, хотя бы для обоняния.

Запас энергии, заключающейся в твердом теле, состоит из нескольких частей: кинетическая энергия движения частиц, интрамолекулярная энергия движения атомов и потенциальная энергия расположения частиц.

Некоторыми особыми свойствами обладают тела сыпучие, состоящие из большого числа малых твердых частиц, не связанных между собою, если сыпучее вещество вполне сухо. Форма данного количества сыпучего вещества сравнительно легко меняется под влиянием внешних сил. Ф.Ф. Петрушевский подробно исследовал правильные формы, которые принимают сыпучие тела в зависимости от очертаний пластинок, на которых они помещаются. Отчасти относятся сюда же исследование Н. Е. Жуковского о влиянии давления на насыщенные водою пески.

§ 2. Кристаллическое и аморфное состояния вещества Твердое вещество обладает способностью принимать, при некоторых условиях, форму определенных многогранников; в этом случае тела называются кристаллами. Каждый кристалл, ограниченный плоскостями, представляет собою отдельный индивидуум, цельность которого обусловливается наличностью всех плоскостей, ребер и многогранных углов. Мы уже видели (стр. 532), что коллоиды не обладают способностью кристаллизоваться; что касается жидкостей, то до недавнего времени не существовало представления о «жидких кристаллах», ибо жидкости, вообще не обладающие определенной формой, конечно и нельзя было представить себе в виде кристаллов. Однако в 1890 г. О. Lehmann ввел понятие о капельножидких кристаллах, доказав, что при определенных условиях маленькие капли некоторых жидкостей могут обладать свойствами, которые, помимо формы, считаются также характерными именно для кристаллического состояния вещества. Эти весьма интересные наблюдения требуют, однако, дальнейших исследований и проверки.

Вещество может принимать кристаллическую форму при переходе из жидкого или газообразного состояния в твердое; в первом случай оно может быть или растворено в другой жидкости, или находиться в расплавленном состоянии. Выпадение кристалла из жидкости проще всего происходит при понижении температуры, или при испарении жидкости; но и при химическом или электролитическом выдавливании вещества, оно также иногда получается непосредственно в кристаллическом состоянии. Кристаллы способны расти, т.е. увеличиваться в объеме, сохраняя форму определенного многогранника; самое образование их происходит путем постепенного роста первоначально образовавшегося как бы зародыша кристалла, на поверхность которого осаждается из окружающей среды растворенное вещество. Кристаллическому состоянию противопоставляют аморфное, при котором вещество, даже в мельчайших доступных наблюдению частях, не обнаруживаете «кристаллической структуры».

Выпадение кристаллов из растворов иногда сопровождается испусканием света, который, может быть, является заметным признаком электрических явлений, происходящих во время кристаллизации.

 

«18+» © 2001-2019 «Философия концептуального плюрализма». Все права защищены.
Администрация не ответственна за оценки и мнения сторонних авторов.

Рейтинг@Mail.ru