Очерк общей истории химии. От древнейших времен до начала XIX в. - Николай Фигуровский

Излагая свою корпускулярную теорию, Ломоносов пользуется также понятиями «смешанное тело» и «составное тело» (ср. у Шталя). «Смешанное тело — это такое, которое состоит из двух или нескольких разнородных тел, соединенных друг с другом так, что любая чувствительная часть этого тела совершенно подобна любой другой его части в отношении частных качеств» (14). «Составное тело есть такое, которое состоит из смешанных тел, слившихся друг с другом» (15).

Корпускулярная теория была необходима Ломоносову с первых шагов его научной деятельности для объяснения с новых точек зрения ряда химических и физических явлений, в частности перехода из твердого состояния в жидкое, явлений сцепления жидкостей, а также для объяснения «частных качеств» тел. В дальнейшем Ломоносов широко использовал корпускулярную теорию для обоснования механической теории теплоты, для объяснения явлений растворения и для других целей.

Развивая свои представления о корпускулах и элементах, Ломоносов приписывал им следующие свойства: протяженность, тяжесть, определенную форму (шарообразную). Он принимал также, что корпускулы находятся в непрерывном движении. Исследованию этого «корпускулярного движения», его причинам и обусловленным этим движением явлениям он посвятил несколько теоретических диссертаций.

В диссертации «Опыт теории упругости воздуха» (1748 г.) Ломоносов рассматривает вопрос о связи упругой силы воздуха (т. е. давления) с его плотностью (величиной, обратной давлению) с точки зрения молекулярно-кинетических представлений. Используя для доказательства взгляды И. Ньютона и Д. Бернулли о движении и взаимном притяжении и отталкивании частиц «упругих жидкостей» (воздуха) (16), Ломоносов прежде всего опровергает распространенное в его время мнение, что упругая сила воздуха связана с наличием между частицами воздуха какой-то жидкости (12), и утверждает, что упругая сила «происходит от какого-то непосредственного взаимодействия… атомов» (17). Это взаимодействие атомов воздуха, заключает он, «обусловлено только теплотою» (§ 14) (18).

В «Прибавлении к размышлениям об упругости воздуха» Ломоносов показывает, что давление воздуха «при наибольшем его сжатии» не пропорционально его плотности (19). Заметим, что к этому выводу наука пришла на основании более строгих измерений сто с лишним лет спустя после Ломоносова (уравнение Вандер-Ваальса).

Одной из главных проблем, которая интересовала Ломоносова с первых лет его деятельности и которой он посвятил много труда и времени, была механическая (молекулярно-кинетическая) теория теплоты. Выше уже говорилось, что во времена Ломоносова, в период расцвета теории флогистона и «невесомых флюидов», в науке господствовало мнение о теплоте как некой невесомой жидкости, которая может «переливаться» из более нагретого тела в менее нагретое (некоторые полагали, что такое переливание теплорода могло происходить и наоборот — из менее нагретого тела в более нагретое). Чем больше такой теплотворной жидкости содержалось в теле, тем больше оно было нагрето. По мнению ученых того времени, теплотворная жидкость могла образовываться в теле в результате химических процессов и, прежде всего, в результате процессов, при которых выделяется флогистон.

Трактовка природы теплоты как результата молекулярного движения частиц вещества во времена Ломоносова была полностью забыта (20). Разрабатывая атомно-молекулярную теорию, а также молекулярно-кинетические представления, Ломоносов и имел в виду прежде всего объяснение природы теплоты. Еще в ранних своих диссертациях и заметках он пытался найти объективные доказательства теоремы, согласно которой «теплота состоит в движении корпускул собственной материи». В частности, уже тогда Ломоносов высказывал мысль, что доказательством этой теории может быть то, «что корпускулы от большой степени теплоты отделяются друг от друга и даже рассеиваются» (21), или что «животное тело непрерывно испускает теплоту, но никогда не принимает ее в себя; следовательно, теплота не зависит от сосредоточения постоянной материи, а есть некое состояние тела» (22).

В окончательном виде свои выводы и доказательства о природе теплоты Ломоносов изложил в диссертации «Размышления о природе теплоты и холода», написанной в 1744 и опубликованной в 1750 г. (23) В этом замечательном исследовании приведена полная цепь доказательств в пользу механической теории теплоты.

В § 3 этой диссертации Ломоносов высказывает основное положение: «Теплота состоит во внутреннем движении материи» (24). После общих доказательств этого положения он обсуждает вопрос о возможных формах внутреннего движения частиц и приходит к выводу (§ 11), что «теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи» (25). Далее следуют подробные доказательства этого положения.

Основываясь на принципе сохранения движения (см. ниже) и на высказанном ранее им самим правиле («Я при объяснении явлений буду поступать так, чтобы не только они легко объяснялись из основного положения, но и доказывали само это положение» (26)), Ломоносов приводит следующие важные выводы из своей теории: «Тело А, действуя на тело В, не может придать последнему большую скорость движения, чем какую имеет само. Поэтому, если тело В холодно и погружено в теплое жидкое тело А, то тепловое движение частиц тела А приведет в тепловое движение частицы тела В; но в частицах тела В не может быть возбуждено более быстрое движение, чем какое имеется в частицах тела А, и поэтому холодное тело В, погруженное в тело А, очевидно, не может воспринять большую степень теплоты, чем какую имеет тело А» (27).

Этот вывод, как нетрудно видеть, представляет собой основную идею второго начала термодинамики, получившего, как известно, исключительное значение в науке со второй половины XIX в.

В следующем параграфе Ломоносов говорит о предельных степенях нагревания и охлаждения и приходит к выводу о существовании абсолютного нуля температуры. Он пишет, что «нельзя назвать такую большую скорость движения, чтобы мысленно нельзя было представить себе другую, еще большую. Это по справедливости относится, конечно, и к теплотворному движению; поэтому

невозможна высшая и последняя степень теплоты как движения. Наоборот, то же самое движение может настолько уменьшиться, что тело достигает, наконец, состояния совершенного покоя, и никакое дальнейшее уменьшение движения невозможно. Следовательно, по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода, которая должна состоять в полном прекращении вращательного движения частиц» (28).

Высказав замечательную мысль о существовании абсолютного нуля температуры, никем ранее с такой ясностью и доказательностью не высказывавшуюся, Ломоносов обсуждает вопрос о возможности достижения температуры абсолютного нуля. Он приходит к заключению, что «высшая степень холода… на земноводном шаре нигде не существует» (29).

Дальнейшие параграфы диссертации Ломоносов посвятил критике и опровержению теории теплотворной жидкости. «В наше время, — писал он, — причина теплоты приписывается особой материи, которую большинство называет теплотворной, другие — эфиром, а некоторые — элементарным огнем… Это мнение в умах многих пустило такие глубокие корни и настолько укрепилось, что повсюду приходится читать в физических сочинениях о внедрении в поры тел названной выше теплотворной материи, как бы привлекаемой каким-то приворотным зельем; или, наоборот, — о бурном выходе ее из пор, как бы объятой ужасом» (30).

Рядом основательных и остроумных доводов Ломоносов опровергает эту фантастическую концепцию. В § 31 диссертации он обсуждает, в частности, известные опыты Бойля над прокаливанием металлов и его заключение о том, что увеличение веса металла при его обжиге обусловлено присоединением к нему «материи огня». По этому поводу Ломоносов пишет, что «почти что все опыты его (Бойля) над увеличением веса при действии огня сводится к тому, что весом обладают либо части пламени, сжигающего тело (31), либо части воздуха, во время обжигания проходящего над прокаливаемым телом» (32).

Появление в печати диссертации Ломоносова «Размышления о причине теплоты и холода» вызвало критические замечания и даже нападки на ее автора (33) со стороны некоторых последователей теории «невесомых флюидов» в Германии. Очевидно, что высказанные Ломоносовым положения и доводы в пользу механической теории теплоты были совершенно чужды и непонятны многим ученым того времени. Однако многие, более дальновидные ученые, по достоинству оценили доказательность доводов Ломоносова и новизну его идей. Об этом свидетельствует, в частности, избрание Ломоносова в Болонскую и Стокгольмскую академии наук. Л. Эйлер в Берлине высоко оценил эту работу Ломоносова и использовал его идеи в своих естественнонаучных трудах.