Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез

Теоретический гений Максвелла позволил ему сделать на основе тех же идей, которые высказывал и Уотерстон, интересные выводы о некоторых свойствах газов, подтвержденных экспериментами. Основная идея расчетов Максвелла заключалась в ряде довольно простых предположений. Во-первых, газы состоят из огромного числа одинаковых частиц, которые интенсивно двигаются. Во-вторых, размер частиц ничтожен по сравнению со свободным пространством между ними, и когда они сталкиваются (а частицы это делают постоянно), то отскакивают, не теряя ни малейшей части первоначальной энергии. В лучшем случае часть энергии может перейти от одной частицы к другой (молекулы также выполняют принцип сохранения энергии, и мы предполагаем, что они совсем не передают энергию молекулам, составляющим сосуд). В-третьих, частицы обладают единственной энергией — собственно, кинетической энергией их движения по сосуду. Все эти условия возможны только тогда, когда газ является одноатомным, то есть его атомы не образуют между собой связей. В противном случае у частиц газа имеется и иная энергия из-за того, что в таком газе существуют другие виды собственного движения: например, колебания и вращения вокруг центра тяжести.

Максвелл и его супруга Кэтрин в 1869 году.

Людвиг Больцман дал объяснение энтропии с точки зрения микропроцессов. В 1870-х годах австрийский физик опубликовал ряд статей, в которых признавал важность электромагнитной теории Максвелла.

Джон Джеймс Уотерстои. Его объяснения давления газа и тепла игнорировали, пока в 1892 году Джон Уильям Стретт не опубликовал его статью, которая была отвергнута Лондонским королевским обществом.

Немецкий физик Герман фон Гельмгольц был первым, кто математически сформулировал принцип сохранения энергии. Портрет кисти Людвига Кнауса 1881 года. Старая национальная галерея, Берлин.

Вооружившись этими предположениями, Максвелл воспроизвел результат Уотерстона и, кроме того, получил один из самых важных результатов недавно зародившейся кинетической теории газов: средняя кинетическая энергия зависит исключительно от температуры, а не от массы или числа атомов, составляющих молекулу. Следствия из этого вывода невероятны. Последний доказывает существование связи между микроскопическими и макроскопическими свойствами газов, но в основном предлагает новый взгляд на то, что такое температура и тепло. Если сравнить два газа при разной температуре, самым теплым из них будет тот, молекулы которого имеют наибольшую кинетическую энергию. А если мы нагреваем самый холодный газ, чтобы он достиг той же температуры, что и теплый, то на самом деле мы увеличиваем кинетическую энергию его молекул или, что то же самое, увеличиваем их скорость.

Газы отличаются от других форм материи не только способностью неопределенно распространяться, а также занимать любой сосуд, каким бы большим он ни был (поскольку тепло оказывает большое действие на его расширение), но и однородностью, и простотой законов, которые регулируют эти изменения.

Джеймс Клерк Максвелл, «Теория тепла» (1871)

С помощью кинетической теории мы также способны объяснить, почему если смешать два газа с разной температурой, она стремится выровняться. Молекулы более теплого газа имеют большую кинетическую энергию, чем молекулы холодного. При смешении молекулы обоих газов начинают сталкиваться друг с другом, и, как это обычно происходит с бильярдными шарами, молекулы с наибольшей энергией обычно передают часть ее молекулам с наименьшей энергией. Результат: если мы позволим пройти достаточному количеству времени, в итоге получим одно и то же распределение энергии во всех молекулах, то есть достигнем теплового равновесия.