Ответьте на вопросы, страница 102 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопрос

Почему физики отказались от гипотезы существования теплорода?

Решение

Гипотеза о существовании теплорода — невесомой, невидимой и неуничтожимой жидкости, которая перетекает от более нагретых тел к менее нагретым — была доминирующей научной теорией, объясняющей тепловые явления в XVIII веке. Она была предложена Антуаном Лавуазье и успешно объясняла такие процессы, как теплопередача и тепловое расширение. Однако к началу XIX века накопились экспериментальные данные, которые эта теория объяснить не могла, что и привело к отказу от нее.

Основными причинами, по которым физики отказались от гипотезы теплорода, были:

1. Противоречие с явлением выделения тепла при трении. Согласно теории теплорода, общее количество этой «жидкости» во вселенной (или в замкнутой системе) постоянно. Тела, отдавая тепло, теряют теплород, а получая — накапливают его. Однако еще в древности было известно, что при трении двух тел друг о друга выделяется тепло. Этот процесс мог продолжаться очень долго, и тепло выделялось до тех пор, пока совершалась работа по преодолению трения. Теория теплорода не могла дать этому убедительного объяснения: если теплород — это вещество, то его запас в трущихся телах должен был бы когда-то закончиться, но тепло продолжало выделяться.

Решающую роль здесь сыграли опыты английского ученого Бенджамина Томпсона (графа Румфорда), проведенные в 1798 году. Наблюдая за процессом сверления каналов в пушечных стволах на заводе в Мюнхене, он был поражен огромным количеством тепла, которое выделялось при работе тупого сверла. Этого тепла было достаточно, чтобы за 2.5 часа довести до кипения почти 12 литров холодной воды. Румфорд пришел к выводу, что тепло не может быть материальной субстанцией, так как оно возникает из ничего, как результат механического движения. Он предположил, что тепло — это вид движения.

2. Экспериментальное доказательство превращения механической работы в теплоту. В 1799 году английский физик Хэмфри Дэви поставил еще один знаменитый опыт. Он поместил под колокол вакуумного насоса два куска льда при температуре ниже 0°C и заставил их тереться друг о друга с помощью специального часового механизма. В результате трения лед начал таять. Согласно теории теплорода, вода содержит больше теплорода, чем лед. Следовательно, для плавления льда необходимо было привнести теплород извне. Но в опыте Дэви лед был изолирован от окружающей среды, и единственное, что могло вызвать плавление — это механическая работа, совершаемая при трении. Этот эксперимент стал убедительным доказательством того, что механическая работа может переходить в теплоту.

3. Установление количественной связи между работой и теплотой. Окончательный отказ от теории теплорода произошел после работ немецкого врача Юлиуса Майера (1842 г.) и английского физика Джеймса Джоуля (1843–1850 гг.). Они независимо друг от друга установили, что существует строгое количественное соотношение между совершенной механической работой $A$ и выделившимся количеством теплоты $Q$. Джоуль в серии точных экспериментов (например, с перемешиванием воды лопастями, вращаемыми падающими грузами) показал, что определенное количество работы всегда порождает одно и то же количество теплоты. Эта связь выражается формулой:

$A = J \cdot Q$

где $J$ — механический эквивалент теплоты. Эти работы легли в основу закона сохранения энергии (первого начала термодинамики) и окончательно утвердили представление о теплоте не как о веществе, а как о форме энергии — энергии хаотического движения и взаимодействия молекул и атомов, составляющих тело.

Таким образом, на смену теории теплорода пришла молекулярно-кинетическая теория, которая смогла объяснить все известные на тот момент тепловые явления и предсказать новые.

Ответ: Физики отказались от гипотезы существования теплорода, поскольку она оказалась неспособной объяснить ключевые экспериментальные факты, в первую очередь — неограниченное выделение тепла при трении. Опыты Румфорда, Дэви и особенно количественные измерения Джоуля убедительно доказали, что теплота не является особой невесомой материей, а представляет собой форму энергии. Было установлено, что механическая работа может превращаться в теплоту в строго определенном эквиваленте, что легло в основу закона сохранения энергии и современной термодинамики.