Д.И.Менделеев как физик - экспериментатор: от термодинамики до аэродинамики

VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Д.И.Менделеев как физик - экспериментатор: от термодинамики до аэродинамики

Вязкова И.А. 1
1МБОУ СШ №6
Лёвина Т.В. 1
1МБОУ СШ №6
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Генеральной ассамблеей ООН 2019 год объявлен Международным годом периодической таблицы химических элементов в честь периодического закона, открытого известным русским учёным Дмитрием Менделеевым в 1869 году.

Напомним, что фундаментальный закон природы, сформулированный великим химиком, через два года совершенствования Менделеевым собственного выражения (1871 г.) имел следующее определение: «Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомного веса».
Известно, что Дмитрий Иванович был разносторонним ученым.Как дает сведения Википедия: русский учёный-энциклопедист, химик, физикохимик, физик, метролог, экономист, технолог, геолог, метеоролог, нефтяник, педагог, преподаватель, воздухоплаватель, приборостроитель. В 2000-ом году, когда заканчивался XXвек, ученные многих стран, подводя ему итоги, опубликовали перечень самых умных людей нации. Список русских ученых возглавил Дмитрий Иванович Менделеев.

Целью моей работы является изучение теоретического и практического наследия Менделеева в области физики.

Мною были поставлены задачи:

Выявить сферы интересов Менделеева в физике.

Проследить практическое применение его открытий.

Обнаружить общественную значимость личности великого учёного.

Гипотеза: Д.И. Менделеев – физик-теоретик и физик-экспериментатор.

Глава I. Менделеев – ученый-экспериментатор.

Несмотря на то, что Дмитрий Иванович был учёный – химик, по своему роду деятельности в своих физических исследованиях ему приходилось изобретать новые приборы, одним из которых был пикнометр.

Пикнометр.

Пикнометр был изобретён Дмитрием Ивановичем

Менделеевым в 1859 году.

Пикнометр (от греч. pyknós — плотный и ...метр) – представляет собой стеклянный сосуд, применяемый для измерения плотности веществ в газообразном, жидком и твёрдом состояниях.

       Измерение плотности пикнометром основано на взвешивании находящегося в нём вещества (обычно в жидком состоянии).       Плотность твёрдых тел определяют, погружая их в пикнометр с жидкостью.

 

Рис. 1. Пикнометры по ГОСТу 7465—67: а — колбообразный с меткой и глухой притёртой пробкой (для жидкостей); б — колбообразный с капиллярным отверстием в пробке (для жидкостей); в — колбообразный со съёмной горловиной (для твёрдых веществ); г — U-oбразный капиллярный (для летучих жидкостей).

       Для измерения плотности газов применяют пикнометр специальной формы. Основные достоинства пикнометрического метода определения плотности: высокая точность измерений (до 10-5 г/см3); возможность использования малых количеств вещества (0,5—100 см3); малая площадь свободной поверхности жидкости в пикнометре, что практически исключает испарение жидкости и поглощение влаги из воздуха..

1.2.Открытие Менделеевым температуры абсолютного кипения жидкостей (критической температуры).

Одна из работ Менделеева в областях, относящихся к физической химии, следует назвать его работы:

по упругости газов,

введению универсальной газовой постоянной в уравнение состояния идеального газа ( уравнение Менделеева – Клапейрона),

изучению термического расширения жидкостей и их поверхностного натяжения при различных температурах.

В частности, последние работы привели к установлению Менделеевым существования температуры абсолютного кипения жидкостей (критической температуры).
При повышении температуры вещество расширяется, ослабляются силы взаимного притяжения между молекулами внутри вещества и в поверхностном слое. Поэтому с повышением температуры поверхностное натяжение уменьшается. При температурах более высоких, чем нормальная температура кипения данной жидкости, поверхностное натяжение измеряют уже не при атмосферном давлении, а при давлении насыщенного пара. Если результаты измерений представить графически, отложив поверхностное натяжение как функцию температуры (рис. 128),

то зависимость для многих веществ оказывается линейной, почти вплоть до критической температуры, при которой поверхностное натяжение становится равным нулю, так как исчезает различие между жидкостью и паром. Основываясь на линейном уменьшении поверхностного натяжения с повышением температуры, Менделеев установил (1860) существование такой температуры, при которой поверхностное натяжение становится равным нулю. Выше этой температуры вещество уже не может находиться в жидком состоянии. Эту температуру Менделеев назвал температурой абсолютного кипения (позднее ее стали называть критической температурой). На основании этого он установил единство жидкого и газообразного агрегатных состояний. Это открытие натолкнуло его на правильные философские выводы о том, что газ и пар являются жидкостью, в которой отсутствует сцепление, и что пар есть переходная форма от жидкого состояния к газообразному. Если мы различаем, говорил он, три состояния тел, то этим хотим обозначить, что между различными агрегатными состояниями  существуют лишь относительные границы. Таким образом, говоря о газах, нужно не забывать той связи, заключает он, какая существует между газообразным, парообразным и жидким состояниями.

1.3. Уравнение Менделеева - Клапейрона .

Из уравнения состояния идеального газа p1V1 / T1 = p2V2 / T2 можно сделать вывод, что для данной массы газа отношение произведения давления газа на его объем к абсолютной температуре газа является величиной постоянной:

pV / T = const.

Это уравнение состояния иде­ального газа называется урав­нением Клапейрона в честь французского физика, который впервые его вывел.

Д. И. Менделеев вывел уравнение состояния для произволь­ного количества газа, введя в него массу и молярную массу газа. Учитывая, что v — количество вещества, m — масса газа, M — его молярная масса, уравнение состоя­ния идеального газа можно записать в более общем виде:

pV = (m / M) • RT.

В таком виде оно называется уравнением Менделеева-Клапейрона. Все газовые зако­ны, открытые экспериментальным путем, можно вывести из этого уравнения как следствие, считая постоянным один из мак­ропараметров. 

Если учесть, что плотность газа ρ = m / V, то уравнение Менделеева-Клапейрона будет иметь вид:

p = (ρ / M) • RT.

Уравнение Менделеева-Кла­пейрона является общим урав­нением состояния идеального газа для произвольной его массы, таким образом уравнение Клапейрона превращается в частный случай уравнения Менделеева, то есть когда масса газа не меняется.

ГлаваII. Роль Менделеева в развитии воздухоплавания.

Кроме науки, Дмитрий Иванович живо интересовался развитием аэрологии и астрономии, что позволило ему соединить две науки вместе.

2.1. Изучение верхних слоёв атмосферы.

Рассматривая по заданию Главного инженерного управления проблему упругости газов и считая вопрос "О сжимаемости газов при столь малых давлениях, какие только можно измерять" весьма важным и требующим разработки, Дмитрий Иванович приходит к мысли о необходимости изучения верхних слоев атмосферы, где «надобно искать зародыш всех погодных изменений, в атмосфере совершающихся». Он тщательно изучает труды знаменитого английского физика Глешера, неоднократно поднимавшегося на воздушном шаре с научными целями. По словам Менделеева, его «так заняла гордая мысль подняться выше знаменитого англичанина и постичь закон наслоения воздуха при нормальном состоянии атмосферы», что он «временно оставил все другие занятия и стал изучать аэростатику».
В 1875 году Дмитрий Иванович выступил на заседании Русского физического общества при Санкт-Петербургском университете с сообщением «О температуре верхних слоев атмосферы» и предложил использовать для проведения исследований, наряду с автоматическими беспилотными аэростатами, также и пилотируемые воздушные шары с герметически закрытой гондолой. Для этих целей Менделеев разрабатывает программу высотных исследований из 15-20 полётов, проектирует летательные аппараты: стратостат объёмом около 3600 м³ с герметической гондолой, подразумевающий возможность подъёма в верхние слои атмосферы (первый такой полёт в стратосферу осуществлён был только в 1924 году) и управляемый аэростат с двигателем. К сожалению, из-за недостатка средств данные проекты учёного так и не были реализованы.


Вопросам воздухоплавания и метеорологии Менделеев посвятил 23 труда. Дмитрий Иванович проявлял большой интерес к работам в этой области и других учёных. Увлечённый идеей постройки различных летательных аппаратов, он всячески поддерживал начинания русских изобретателей - создателя первого в мире самолёта Александра Фёдоровича Можайского и основоположника космонавтики Константина Эдуардовича Циолковского.
Замечательный патриот, Дмитрий Иванович Менделеев, придававший особенное значение созданию воздушных кораблей как транспортного средства  Poссии, оставил потомкам свой завет – овладеть её воздушным океаном. «У других стран, — писал учёный в своём труде «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании», — много берегов водного океана. У России их мало сравнительно с ее пространствами, зато она владеет обширными против всех других … стран берегами свободного воздушного океана. Русским поэтому сподручнее овладеть сим последним, тем больше, что это бескровное завоевание составит эпоху, с которой начнется новейшая история образованности». 

2.2. Наблюдение солнечного затмения с воздушного шара.

В 1878 году Дмитрий Иванович, находясь во Франции, совершил подъём на привязном аэростате Анри Жиффара, а 7 августа (по новому стилю)  1887 года он осуществил свой знаменитый полёт на воздушном шаре «Русский» для наблюдения полного солнечного затмения. Этот шар был предоставлен военным министерством, его объём составлял 700 м³. Место старта располагалось недалеко от города Клина, где солнечное затмение должно было длиться около 2 минут. 

Предполагалось, что Менделеев полетит вместе с пилотом-аэронавтом  А. М. Кованько. Однако, из-за прошедшего накануне дождя повысилась влажность, и шар намок так, что был не в состоянии поднять двух человек. Тогда 53-летний учёный принимает отважное решение – лететь одному, объясняя отговаривающим его ассистентам: "Аэростат — это тоже физический прибор. Вы видите, сколько людей следит за полетом как за научным опытом. Я не могу подорвать у них веру в науку".
Во время полёта Менделеев наблюдает солнечное затмение, записывает показания барометра-анероида и термометра, а также, проявив невероятную силу духа, устраняет неисправность управления главным клапаном аэростата. Обнаружив, что веревка, идущая от выпускного клапана, запуталась и не позволяет его открыть, Менделеев вылезает из корзины, взбирается по строповке и распутывает её. 


Весть о необычайно смелом полете русского профессора вскоре стала известна всему миру. "За проявленное мужество при полете для наблюдения солнечного затмения" французская Академия метеорологического воздухоплавания наградила Менделеева диплом и золотой медалью, украшенной девизом братьев Монгольфье "Так идут к звездам". На основании опыта, полученного в ходе полёта, Менделеев выступил с важным техническим предложением: для наполнения аэростатов газом применять особые подушки со сжатым водородом. Открытый учёным способ хранения водорода (в сжатом состоянии в баллонах под давлением 120-200 атмосфер) получил впоследствии широкое применение в современной технике.

2.3. Измерение Менделеевым коэффициента сопротивления воздуха.

Во время русско-турецкой войны 1877-1878 годов было предложено такое множество проектов применения воздухоплавания в военных целях, что морское и военное ведомства России обратились к знаменитому химику Д.И. Менделееву с просьбой изучить вопрос и дать необходимые рекомендации.

Дмитрий Иванович экспериментировал с водой и аналогичным ей по плотности спиртовым раствором хлористого магния. В воде при скорости латунного 40-мм шара 0,16 м/с коэффициент сопротивления 0,0251 кг, а в растворе ( при скорости 0,028 м/с) – 0,032 – 0,042 кг.

Коэффициент сопротивления по Ньютону – 0,0265 – 0,0259 кг, по Мариотту – 0,036 – 0,39 кг, по Бенценбергу – 0,028 – 0,07 кг, по Рейху – 0,026 – 0,039 кг, по Лагерхьёльму – 0,02 – 0,045 кг. Такой разнобой Менделеев правильно объяснил тем, что коэффициент сопротивления шара непостоянен и зависит от скорости, но выяснение этой зависимости он предоставил грядущим исследованиям. И они не замедлили явится…

Глава III. Менделеев-общественный деятель.

Дмитрий Иванович горячо любил Родину. Наблюдая за успехами науки за границей, он считал, что Россия не должна отставать от мировой науки.

3.1.Создание Русского физико-химического общества.

В 1868 году выступил одним из основателей Русского химического общества, а в 1876 году инициировал его официальное слияние с Русским физическим обществом, в результате чего в 1878-м составилось Русское физико-химическое общество.

Как нам дает сведение Википедия: Русское физико-химическое общество (РФХО) — российская научная организация, существовавшая с 1878 по 1930 годы и объединявшая естествоиспытателей Российской империи, а затем — РСФСР. Организация размещалась в Санкт-Петербурге, и включала в себя два отделения: химическое (основано в 1868 году) и физическое (основано в 1872 году); в 1878 году объединившиеся. Правопреемником химического отделения организации стало Русское химическое общество, впоследствии — Всесоюзное химическое общество имени Д. И. Менделеева (1933), в настоящее время — Российское химическое общество имени Д. И. Менделеева (1992).

3.2. Палата мер и весов имени Д.И. Менделеева.

По уровню измерений в стране судят о качеств её развития. Задолго до создания Палаты мер и весов в г. Севре (близ Парижа), депо образцовых мер и весов было создано в Санкт-Петербурге в 1842 году. В его обязанности входило хранение эталонов мер и организация их поверки, а также изготовление новых эталонов.

Первыми учёными-хранителями Депо мер и весов были академик Адольф Яковлевич Купфер и профессор Владимир Семёнович Глухов. В 1892 году учёным-хранителем был назначен химик Дмитрий Иванович Менделеев. Уже в начале своей деятельности по руководству Депо Менделеев поставил перед собой три задачи, разрешение которых, по его мнению, должно было коренным образом изменить существующее положение дел в области и мер и весов: возобновление русских прототипов длины и массы; создание центрального метрологического учреждения с хорошо оборудованными для научных работ лабораториями; организация поверочного дела на новых началах.

В 1893 году по инициативе Менделеева Депо образцовых мер и весов было преобразовано в Главную палату мер и весов, управляющим которой он и был назначен.), а в 1901 году — первую на Украине поверочную палатку, которая выверяла торговые меры и весы, а впоследствии стала харьковским Институтом метрологии; с этого началась история метрологии и стандартизации на Украине.

В 1931 году Палата была реорганизована в Институт метрологии и стандартизации, с 1934 года — институт метрологии, ныне — Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д. И. Менделеева. Эта деятельность Дмитрия Ивановича:

• способствовала узакониванию основных мер длины и веса (аршин и фунт).

• была создана точная теория весов, а также он разработал наилучшие конструкции коромысла и арретира.

Арретир (нем. Arretier(ung) от фр. arrêter — останавливать, фиксировать) — механическое приспособление, поднимающее коромысло весов и освобождающее призмы от нагрузки, значительно уменьшает изнашиваемость главных рабочих частей, а также используется для их отключения.

Заключение.

Дмитрий Иванович Менделеев был замечательным образцом учёного, чьи научные интересы в области экспериментального изучения свойств газов и жидкостей были связаны с их практическими применениями в термодинамике, воздухоплавании и кораблестроении. Проводя систематизацию его открытий, я убедилась, что интересы Дмитрия Ивановича лежали далеко за пределами химии, и он действительно был разносторонним ученым.

Моя гипотеза оказалась верна, и его работы были не только теоретического характера, но и нашли практическое применение в различных отраслях науки и техники.

Дмитрий Иванович Менделеев по праву занял первое место в списке самых умных и творческих людей, которые сыграли большую роль в судьбе России.

Список литературы.

Измерение массы, объёма и плотности, М., 1972

ГОСТ 22524-77. Пикнометры стеклянные. Технические условия;

ГОСТ 11723-66. Пикнометры для определения плотности газа.

ГОСТ 17310-2002 Газы. Пикнометрический метод определения плотности.

Справочник химика 21. Химия и химическая технология [Электронный ресурс].- https://chem21.info/info/15789/ - статья из интернета.

200 законов мировоздания.Уравнение состояние идеального газа [Электронный рескрс].- https://elementy.ru/trefil/17/Uravnenie_sostoyaniya_idealnogo_gaza - статья из интернета

А. М. Корзухина. Русское физико-химическое общество (РФХО) и его роль в русской физике (1870—1917) ИИЕТ РАН. Годичная научная конференция 2003 г. М.: Диполь-Т, 2003, с. 172-17

В. В. Козлов. Очерки истории химических обществ СССР. — М.: Изд. АН СССР, 1958. — с. 26

Б. Н. Ржонсницкий. Дмитрий Александрович Лачинов. Жизнь и труды — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1955. — 350 с.

 Высшие и центральные государственные учреждения России 1801—1917. Т. 2. СПб., 2001. Из содерж.: Главная палата мер и весов 08.06.1893—[] 1931. С. 160—161; Гинак Е. Б. Меры и весы [Электронный ресурс] // Метрологический музей Госстандарта России при ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. 2003. URLhttp://museum.vniim.ru/files/mer.pdf; Гинак Е. Б. «Тут чистая наука тесно переплеталась с практической» // Санкт-Петербургский университет. 2009. № 17; История ВНИИМ [Электронный ресурс] // ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. 2001-2019. URLhttp://www.vniim.ru/history.html; Младенцев М. Н. Учреждение

Главной палаты мер и весов и её деятельность // Временник Главной палаты мер и весов. Ч. 8. СПб., 1907.

Статья из журнала «Техника молодёжи», октябрь 1981г.

Год

Название открытия и изобретения

Практическое использование

1.

1859

Пикнометр.

Применяется для измерения плотности веществ в газообразном, жидком и твёрдом состояниях.

2.

1860

Температура абсолютного кипения жидкостей (критической температуры).

Позволяет рассчитать термодинамические условия для сжижения газов.

3.

1868

Создание Русского физико-химического общества.

Способствовало развитию науки в России и дальнейшему развитию промышленности.

4.

1874

Уравнение Менделеева-Клапейрона.

Газовые зако­ны, открытые экспериментальным путем, можно вывести из этого уравнения как следствие, а также позволяет вычислить любой термодинамический параметр.

5.

1875

Изучение верхних слоёв атмосферы .

Используется для предсказания погоды.

6.

1878

Наблюдение солнечного затмения с воздушного шара.

Редкое астрономическое событие позволяет изучить физическую природу Солнца.

7.

1878

Измерение коэффициента сопротивления движению в жидкостях и газах.

Привел к единообразному виду данные, полученные его предшественниками

8.

1892

Назначен учёным-хранителем Палаты мер и весов.

Возобновил русские прототипы длины и массы, создал центральное метрологическое учреждение с хорошо оборудованными для научных работ лабораториями, организовал поверочное дела на новых началах.

Д.И. Менделеев
как физик - экспериментатор:
от термодинамики до аэродинамики.

Просмотров работы: 31