Рихман. Вклад в физику тепловых явлений
В 1744 г. Рихман представляет в академию труд «Размышления о количестве теплоты, которое должно получаться при смешивании жидкостей, имеющих определенные градусы теплоты». Однако молодому ученому на академическом собрании были сделаны серьезные замечания, и он провел еще одно исследование, подтверждающее справедливость выведенной им формулы, которое и представил в академию в 1748 г. Проведя огромное число тщательно выверенных опытов, Рихман получил довольно точную формулу (вошедшую в историю физики под его именем) для определения температуры смеси произвольного числа разных порций одной и той же жидкости разной температуры:
tcм=mt1+mt2+..+mt/m1+m2+...+mk
где m1, m2 ... mk – массы смешиваемых жидкостей, t1, t2 ... tk – соответствующие им температуры.
Тогда понятия о теплоемкости тела еще не было, так что надо было обладать незаурядной интуицией, чтобы вывести уравнение, точность которого, с современной точки зрения, определяется лишь степенью зависимости теплоемкости от температуры.
Рихман первым использовал уравнение теплового баланса. И хотя это уравнение было составлено для температуры смеси различных количеств одной и той же жидкости, оно в первом приближении выражало правильное распределение теплоты при смешивании любого числа порций жидкости. Используя формулу Рихмана, физики уже в XVIII в. успешно освоили новые методы калориметрических исследований. На основе этой формулы был разработан способ смешивании жидкостей для определения их теплоемкостей. Этот способ также был назван именем Рихмана и до сих пор является одним из основных при определении теплоемкости, удельной теплоемкости и других теплофизических величин: из школьного курса физики нам известно, что удельная теплоемкость вещества рассчитывается по формуле:
Q=cm(t2-t1)
где Q – количество теплоты, которое необходимо передать телу массой m, чтобы повысить его температуру от t1 до t2.
Научные публикации Рихмана говорят о том, что он понимал разницу между теплотой и степенью нагретости – температурой; понимал, что теплота не может быть измерена градусами. «Часто происходит ошибка, – писал ученый, – если о состоянии воздуха, с точки зрения его теплоты, судят по градусу, показываемому термометром».
Позже, в 1855 г., его гипотезу доказал немецкий математик и физик Иоганн Ламберт. При исследовании металлов Г.Рихман установил, что «наибольшую способность удерживать теплоту имеют латунь и медь, затем идет железо, после чего олово и свинец». Эти важные для науки о теплоте исследования он проводил совместно с Ломоносовым.
Нагревая различные металлы на одно и то же число градусов, Рихман обратил внимание на еще одну закономерность: время нагрева было различно. По его мнению, это зависело от способности тел принимать или отдавать тепло, т.е., говоря современным языком, от их теплоемкости. В ходе исследований была составлена таблица, в которой металлы располагались не по теплопроводности, а в основном по их теплоемкости. Спустя несколько лет шведский физик Вильке назовет эту физическую величину относительной теплоемкостью.
Большое значение для развития учения о теплоте имели работы ученого по исследованию самопроизвольного процесса переноса тепла из более нагретой среды к менее нагретой путем конвекции и теплопроводности. В первой серии опытов Г.Рихман исследовал закономерность охлаждения воды, заключенной в стеклянный сосуд, который подвешивался на тонком шнуре и соприкасался только с воздухом, имеющим постоянную температуру. В других сериях он изучал влияние на теплообмен величины и формы поверхности охлаждаемой жидкости, а также ее объема. Охлаждение жидкости исследовалось как в стационарных условиях, так и при тепловом потоке, изменяющемся во времени. Ученый заметил, что в сухом неподвижном воздухе охлаждение жидкости происходит иначе, чем во влажном. Анализируя проведенные опыты, Г.Рихман пришел к выводу о том, что теплообмен между телами является сложным физическим процессом, который зависит от температуры тел, поверхности нагрева или охлаждения, объема, а также от способности тел удерживать в себе теплоту.
Подводя итоги своим экспериментам, он сделал вывод, что падение температуры нагретого тела на дельта t при свободном его охлаждении в воздухе прямо пропорционально поверхности этого тела , разности температур тела и среды , времени и обратно пропорционально объему тела. Исследования Г.Рихмана по конвективному теплообмену и открытый им закон были выдающимся вкладом в развитие теплофизики и получили самую высокую оценку в мировой науке.
Изучением процессов, происходящих при испарении воды
Развитие метеорологии и гидрологии привели Г.Рихмана к мысли вплотную заняться изучением процессов, происходящих при испарении воды. Впервые он сделал попытку связать теорию испарения с законом охлаждения тел. Для своих опытов ученый использовал открытые цилиндрические сосуды, имеющие различные поверхности испарения, заполняя их на различную глубину водой. Количество испарившейся жидкости за определенный промежуток времени определялось по разности веса объема исходной и оставшейся воды. На основе многочисленных опытов Рихман установил, что испарение воды зависит от разности площадей поверхности, от массы и глубины воды в сосуде. Он также показал, что испарение всегда сопровождается понижением температуры воды.
С целью оснащения отечественных метеорологических станций новыми и точными теплоизмерительными приборами Рихман создал гидравлический испаритель для точного измерения количества испаряемой воды, метеорологический термометр для измерения средней температуры за сутки, барометр особой конструкции. Но больше всего ученого увлекало электричество. За¬долго до рождения Г.Рихмана немец Отто фон Герике изобрел электрическую машину. В ней шар, отлитый из серы, натирали ладонями рук. Поверхность шара электризовалась, на ней накапливались электрические заряды, которыми потом можно было заряжать и другие тела.
