Энгель Карпеев - М. В. Ломоносов - великий русский учёный-энциклопедист
Заканчивая описание тепловой теории Ломоносова, нельзя не сказать о том, что зимой 1759/60 г. академик И. А. Браун при деятельном участии Ломоносова проводил опыты по замораживанию ртути, считавшейся до этого времени жидким, не способным замерзать телом. Замораживание ртути было выдающимся научным событием и большим достижением отечественной науки.
Другим примером применения «корпускулярной философии» к решению физических проблем является кинетическая теория газов. Сразу же следует оговориться, что в первой половине XVIII в. был известен только один газ — воздух. В работе «Опыт упругости воздуха» Ломоносов разработал свою теорию, отличавшуюся от ньютоновской, основанной на неприемлемых для Ломоносова силах отталкивания. Предшественник Ломоносова по Петербургской Академии наук Даниил Бернулли, хотя и занимался этой же проблемой, но лишь математически доказал суммарный эффект от движения шарообразных частиц газа, не обсуждая причин взаимного отталкивания.
Ломоносов выстраивает кинетическую теорию газа на основе следующего принципа: частицы взаимодействуют только столкновением, никаких иных сил между ними возникнуть не может. Вместе с тем опыт подсказывает, что воздух можно сжать в 30 раз и более, это означает, что частицы воздуха достаточно удалены друг от друга. Разрешая это противоречие, Ломоносов предполагает, что после столкновений частицы разлетаются в разные стороны, а затем снова сталкиваются. Механизм такого взаимодействия, по Ломоносову, выглядел следующим образом: сферические, абсолютно неупругие частицы воздуха (в этой работе он называет эти частицы атомами) при тепловом вращении касаются друг друга, а поскольку на их поверхности имеются выступы и впадины, они, соприкоснувшись, отбрасываются друг от друга центробежной силой. Под действием силы тяжести частицы газа опускаются книзу, соприкасаются и снова разлетаются в разные стороны.
При обсуждении этой работы Ломоносова в академическом собрании академик Рихман указал, что в его теории не объясняется, «почему упругость воздуха пропорциональна его плотности». В ответ Ломоносов написал «Прибавление», в котором, исходя из опытов с замораживанием воды в чугунных бомбах и считая, что расширение льда происходит за счет упругости находящегося в его порах воздуха, т. е. из совершенно не относящихся (как теперь ясно) к делу предпосылок, сделал правильный вывод, что при сильном сжатии закон пропорциональности между давлением и плотностью воздуха должен нарушаться. Вывод, опережающий Ван-дер-Ваальса на 125 лет.
Заметное место в ломоносовской теории газов занимают акустические явления. «Звук производится, — писал он, — когда какое-либо тело, приведенное в колебательное движение, сообщает таковое ближайшим к себе частицам воздуха, которые вместе с последующими передают его непрерывным рядом на расстояние, пропорциональное силе удара. Так как большинство атомов воздуха не находится в соприкосновении, то для возбуждения в другом звукового движения необходимо, чтобы каждый атом, получивший толчок от колеблющегося звучащего тела, сперва подошел к другому атому, затратил на это движение время, хотя и бесконечно малое. Эти бесконечно малые промежутки времени при бесконечном числе атомов на более далеких расстояниях последовательной передачи составляют заметный промежуток времени». Из приведенной цитаты совершенно очевидно, насколько близким к современному было понимание Ломоносовым акустических явлений.
Следующим по времени было применение Ломоносовым «корпускулярной философии» к объяснению химических явлений. Среди его физико-химических работ первой является диссертация «О действии химических растворителей вообще». Оценивая ее впоследствии, ученый писал: «Основанная на химических опытах и физических началах теория растворов есть первый пример и образец для основания истинной физической химии, потому что в ней явления объясняются по твердым законам механики, а не на жалком основании притяжения».
В этой работе Ломоносов попытался показать, «каким образом и какими силами растворитель может разъединять частицы растворяемого, уничтожив их взаимное сцепление». На основе своих опытов, когда он рассматривал в микроскоп процесс «растворения» металлов в кислоте, Ломоносов разделил процессы растворения на две группы: с выделением и с поглощением тепла, т. е., по существу, ввел понятие об экзотермических и эндотермических реакциях. И вот как он объяснил разницу между ними: в первом случае воздух, находящийся в промежутках между частицами металла, в момент растворения проявляет действие своей упругости потому, что «дело частиц кислотного спирта при растворении-вводить в поры металлов частицы воздуха, а воздуха — вновь приобретая упругость, отбрасывать частицы металла». При этом отбрасываемые частицы разносятся по растворителю, приводя его частицы во вращение и нагревая растворитель.
Во втором случае, при растворении солей в воде, механизм растворения иной: все соли содержат значительное количество воды, которая находится в «порах солей», поэтому, воздух, рассеянный в воде, в эти поры войти уже не может, «не может ни расширяться в них от возродившейся упругости, ни действовать на частицы солей». Частицы солей отделяются в этом случае друг от друга «действием самой воды», вода заставляет их вращаться, отдавая тем самым часть своего тепла. В результате происходит охлаждение раствора.
Позднее, к 1752 г., Ломоносов приступил к созданию целостного курса «Истинной физической химии». До нас дошло только «Введение», которому должны были следовать две другие части, посвященные экспериментальной и эмпирической частям физической химии. Однако вследствие ряда причин неоконченной осталось и само «Введение», которое начинается с определения новой науки: «Физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при химических операциях. Она может быть названа также химической философией…».
Для того чтобы выяснить, что происходит в смешанных телах при химических реакциях, нужно узнать химический состав тел или, выражаясь языком Ломоносова, определить те «начала», из которых данное вещество состоит. В этих «началах» нельзя отделить друг от друга «никакими химическими операциями или различить рассуждением разнородные тела».
Частные качества тел могут быть разделены на две группы, в первую из которых Ломоносов относит зависящие «от различного сцепления частиц» — твердость или жидкость тела, жесткость, ковкость, хрупкость, текучесть и т. п. Величиной силы сцепления частиц обусловлена и упругость тел, т. е. способность восстанавливать свою форму после прекращения деформирующего воздействия.
Ко второй группе частных качеств Ломоносов относит цвет, прозрачность, вкус и запах. Каждое из «качеств» этой группы может быть, как и цвет, — простым или сложным. Однако, «которые из них простые, которые сложные, можно объяснить не раньше, если когда будет известна природа начал».
В ранней своей диссертации «Элементы математической химии» (1741) Ломоносов дал определение химии как «науке об изменениях в смешанном теле, поскольку оно смешанное». По мнению Ломоносова, все без исключения химические вещества являются смешанными, состоящими «из двух или нескольких разнородных тел, соединенных друг с другом так, что любая чувствительная часть этого тела совершенно подобна любой другой его части в отношения частных качеств». Поскольку же «смешанное тело в любой чувствительной частице подобно самому себе», то, понятно, частицы смешанного тела состоят из разнородных частиц тел, «из которых состоит смешанное тело». Тогда изменение смешанного тела происходит «от прибавления или потери одной или нескольких составляющих», что возможно при соответствующем изменении состава «корпускул». Для этого необходимо разрушить связи между составляющими корпускулу частицами. Основным инструментом для этого является огонь. Однако нагрев тела может привести лишь к уменьшению силы сцепления между частицами, расположение их можно изменить лишь при помощи воздуха или воды. «Таким образом, — писал ученый, — первый — как бы орудие, а вторые два — носители». Воздух, по мнению Ломоносова, может быть «наружным» или «внутренним». Наружный воздух, обдувая тело, уносит с поверхности оторвавшиеся его частицы или доставляет к нему посторонние. «Внутренний» воздух находится в порах тела, т. е. в промежутках между составляющими тело частицами. Он рассеивает освободившиеся от внутреннего сцепления частицы и смешивается затем с наружным. Действием «наружного» и «внутреннего» воздуха изменяются химические свойства веществ.
Механизм действия воды при химических реакциях был разработан ученым ранее в «Диссертации о действии химических растворителей…».
