Калориметр Лапласа-Лавуазье
Мы никогда не вспоминаем французского учёного-энциклопедиста Лапласа в связи с химией. В первую очередь мы ассоциируем его с астрономией и гипотезой образования Солнечной системы Канта-Лапласа-Шмидта, кто-то может вспомнить его в связи с правилами решения дифференциальных уравнений. Кто-то может вспомнить случай отказа от одной гипотезы (Из записанных разговоров Наполеона: «Я поздравил его [Лапласа] с выходом в свет его сочинения и спросил, почему слово «Бог», беспрерывно повторяемое Лагранжем, у него не встречается вовсе. «Это потому, — ответил он, — что я в этой гипотезе не нуждался»»). Однако Лаплас успел отметиться и в химии — более того, многие мои коллеги-физхимики должны быть обязаны ему за его прибор, значение которого космически потерялось на фоне космических построений.
*
Пьер-Симон Лаплас родился во французском местечке Бомон-ан-Ож недалеко от побережья Ла-Манша. Лаплас начал изучать теологию в Каене, где он неоднократно демонстрировал способности к математике. Один из его наставников, Пьер Ле Кану рекомендовал Лапласа известному математику Жану д’Аламберу, совместно с Дени Дидро составившем 17-томную «Энциклопедию наук, искусств и ремёсел». В Париже д’Аламбер, относившийся к рекомендации из Каена скептически, был вскоре вынужден признать, что Лаплас действительно очень хорошо разбирается в математике и назначил его на должность профессора Военной Школы, одним из студентов которой в то время был молодой Наполеон Бонапарт. Лаплас самоуверенно считал, что вскоре после получения профессорской должности его изберут в Академию наук, но, как ему казалось, на выборах его регулярно подсиживали, и выборы выигрывал более слабый кандидат. В конечном итоге Лаплас стал академиком, но, по его мнению, уже неоправданно поздно (на момент избрания Лапласа в Парижскую академию наук ему было 27 лет).
Большая часть работ Лапласа посвящена законам Ньютона, движению и тяготению. В одной из самых важных своих научных работ, выполненных в этой области, Лаплас расписал поведение частицы, испытывающей притяжение к сферическому объекту. Для решения этой задачи он использовал систему дифференциальных уравнений в частных производных, в настоящее время носящих его имя. Несмотря на признание заслуг в области математики, Лапласу не удалось убедить в правильности своего подхода к механике небесных тел Адриена Мари Лежандра и Жозефа Луи Лагранжа. Это был не единственный случай недопонимания и непонимания идей Лапласа коллегами — современники чаще видели в молодом гении эгоиста с чрезвычайно раздутым самомнением. Следует признать, что Лаплас действительно опередил своих современников во взглядах на строение Вселенной — в его труде по особенностям небесной механике отстаивается идея о том, что сила тяготения, гравитация представляет собой универсальное взаимодействие, которому подвержена любая частица Вселенной. В трудах Лапласа также впервые появляется мысль о том, что туманности в глубинах космоса — не что иное, как области формирования новых звёзд.
Помимо механики небесных сфер Лаплас занимался и проблемами земными — изучением тепловых эффектов реакций и разработкой методов измерения теплоты. Теплота, энергия была самой неуловимой для измерения величиной, и во времена Лапласа изучение процессов, протекающих с поглощением или выделением тепла, считалось областью исследования химии, так как наибольшее количество тепла зримо и наглядно выделялось в процессах горения. В те времена считалось, что выделение тепла при горении является следствием выделения флогистона, который в различных количествах содержится в различных материалах. Очевидно, что изменения массы, которыми сопровождались процессы горения плохо укладывались в флогистонную теорию. Так, например, увеличение массы продукта горения металла по сравнению с чистым металлом можно было объяснить только отрицательной массой флогистона, эксперименты современника Лапласа — Лавуазье говорили, что никакого изменения массы в процессах горения вообще не протекает — материя не появляется и не исчезает. Возникал резонный вопрос о природе теплоты и возможности её измерения.
В Шотландии Джозеф Блек и его коллега Уильям Ирвин уже начали измерять определенные типы тепла — количество теплоты, необходимое для изменения температур материалов, не вступающих в химические реакции. В процессе этих экспериментов Блек обнаружил интересный и парадоксальный по тем временам феномен — хотя в процессе плавления вещества температура не менялась, для плавления требовалось нагревать соответствующий материал. Природу этого феномена ещё предстояло постичь, но экспериментаторы решили использовать непонятный феномен — Блек предположил, что количество расплавленного льда можно использовать, как орудие для измерения теплоты.
Лавуазье не был осведомлён об этих экспериментах — в тот момент его интересовали процессы горения, а не физические явления, в которых состав веществ и материалов не меняется. Лаплас и Лавуазье познакомились после публичной демонстрации Джозефом Пристли экспериментов с «дефлогистированным воздухом», который Лавуазье впоследствии назвал кислородом. Ученые быстро подружились и вскоре начали совместно работать в лаборатории Лавуазье. Когда в 1780 году результаты работы Блека дошли до Франции, Лаплас решил использовать предложенную идею измерения тепла.
*
Лаплас быстро разработал прибор, в котором камера с образцом была окружена льдом. Тепло от камеры, в которой протекала реакция, плавила лёд, и вода стекала через воронку в стаканчик для взвешивания. Вторая ледяная рубашка устройства обеспечивала теплоизоляцию плавящегося льда от внешних факторов. С помощью этого устройства (взвешивая расплавленную теплотой химического процесса воду) Лаплас и Лавуазье смогли оценить теплоту сгорания сахара, серы и фосфора.
Затем настала пора опытов на живых организмах — в машину на несколько часов помещали подопытных животных и сравнивали количество расплавленной ими воды с объёмом выделившегося углекислого газа — это позволило установить соотношение между «животной теплотой» и химическими процессами, позволив предположить, что живые процессы являются какой-то особой формой горения. Разработанный и опробованный прибор Лаплас несколько позже назвал «калориметром», извиняясь перед научной общественностью за смешение латинских (calor — тепло, лат.) и греческих (meter — измерение, гр.) корней.
Французская революция обрубила связи между учёными. Лавуазье, бывший членом Генерального откупа (компании финансистов, имевших право сбора королевских податей и других косвенных налогов) несмотря на участие в работе «Национального казначейства», был гильотинирован. Лаплас же тоже поклялся в верности новой власти, для которой, пользуясь знанием математики и баллистики, совершенствовал системы прицельных таблиц к артиллерийским орудиям. После переворота 18 брюмера и прихода к власти Наполеона Лаплас послал ему экземпляр «Механики небесных сфер», и Наполеон в дань уважения своему учителю приблизил его к себе, наградил титулом графа Империи и всеми мыслимыми орденами. Он даже назначил Лапласа министром внутренних дел, на должности которого Лаплас проработал ровно 6 недель, после чего был переведён на другую работу из-за некомпетентности. Лаплас внёс в управление, как выразился позднее Наполеон, «дух бесконечно малых», то есть мелочность и бюрократию. Взамен утраченной должности министра Наполеон назначил Лапласа сенатором. В апреле 1823 года Парижская академия наук торжественно отметила 50-летнюю годовщину принятия Лапласа в члены Академии. Умер Лаплас от простудного заболевания 5 марта 1827 года в собственном имении под Парижем, на 78-м году жизни.