Миф о вездесущем тепле

Развитие взглядов на природу тепла тесно связано с поиском универсального закона сохранения энергии. Гипотеза о постоянстве движения и материи возникла ещё во времена Демокрита и являлась базовой для развития и физики, и химии, и биологии. На протяжении веков её пытались сформулировать многие учёные. В XVII веке эту мысль высказал Декарт в отношении сталкивающихся тел, ещё ранее Лейбниц предложил теорию сохранения живых сил. Но наиболее всеобъемлющее определение дал в XVIII веке Михаил Ломоносов. Он писал: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому... сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает». Увы, слова соотечественника надолго остались без внимания, а большую известность получило чуть позже сформулированное независимо от Ломоносова аналогичное суждение француза Антуана Лавуазье.

Но утверждение о константности количества материи и движения было лишь частью теории сохранения сил в природе. (В современном понимании – преобразование различных видов энергий, но слово «энергия» в этом контексте появится лишь во второй половине XIX века.) Добраться до сути превращения энергий позволило как раз изучение природы тепла.

Идея преобразования механической энергии в тепловую лежала на поверхности: именно с помощью трения древний человек добывал огонь, позволявший ему готовить пищу и отапливать жилище. Возможно, сама «древность» этого способа и не давала разглядеть его научную ценность. Учёные обратились к этой проблеме в XIX веке, когда стал возможен не только переход от движения к теплу, но и наоборот, то есть появилась первая паровая машина. А до тех пор в физике последовательно преобладали две идеи – первичных элементов (вода, земля, воздух и огонь, при этом тепло отождествлялось с огнём и рассматривалось как нечто, обладающее свойствами физического тела) и теплорода (тепло в этой теории выступало в качестве бестелесного флюида, входящего в состав тел).

Теорию четырёх стихий сложно назвать научной – она не объясняла экспериментально ни одного из известных тепловых явлений – ни нагревания, ни плавления, ни изменения структуры и объёма веществ под воздействием тепла. Холод в этой концепции имел иную природу, чем тепло, и рассматривался как противоположное начало, а не как отсутствие тепла. Словом, «стихийная теория» была скорее философской мыслью, нежели научным знанием. Тем не менее этой точки зрения некоторые учёные придерживались вплоть до XVIII столетия. К примеру, в сочинениях французского учёного Пьера Гассенди говорилось, что атомы холода являются, в отличие от атомов тепла, острыми и, проникая в жидкость, скрепляют её, превращая в твёрдое тело.

Теплородная теория

Развитие химии привело к тому, что в XVIII веке стала преобладать новая теория, получившая впоследствии название материальной, или субстанциальной. К этому времени уже были проведены различные опыты с горением и плавлением. Большое научное значение имели опыты шотландского физика Джозефа Блэка, показавшие, что для перехода твёрдого тела в жидкое состояние недостаточно довести его до температуры плавления: для поддержания процесса необходимо поступление определённого количества тепла извне. Был сделан вывод о существовании некоего агента, бестелесного вещества, ответственного за процессы горения и плавления. Этот якобы распространённый в атмосфере флюид получил название теплорода. Считалось, что он может проникать в тела и вызывать отталкивание составляющих эти тела частиц друг от друга, тем самым вызывая изменение состояния тела и его температуры. Стали популярны такие формулы, как «лёд + теплород = вода» и т. п.

Теория теплорода получила поддержку в работах знаменитого учёного Лавуазье. Во второй половине XVIII века он взял на себя непростую задачу составления нового учебника химии, который должен был объединить все новейшие знания об этой науке. В одной из частей своего фундаментального труда Лавуазье приводит первую классификацию известных к тому времени химических элементов и наряду с кислородом, водородом, различными металлами и соединениями включает в неё и теплород. Подытоживая то, что было известно к концу XVIII века о горении и плавлении, Лавуазье высказал революционную идею, что все вещества при определённых условиях могут изменять своё состояние на твёрдое, жидкое или газообразное, но посчитал обязательным участие во всех этих процессах теплорода.

Долгие годы все попытки свергнуть теплород с научного постамента не приносили успеха. Появившаяся параллельно с теплородной кинетическая теория тепла, несмотря на поддержку известных учёных (её, в частности, поддерживали Фрэнсис Бэкон и Рене Декарт, а позднее Леонард Эйлер и Даниил Бернулли), до середины XIX века оставалась в тени. Теплоту на тот момент не умели преобразовывать в движение, а обратный процесс, как казалось, исчерпывающе объяснялся существованием теплорода.

Тепло как энергия

Задолго до того, как взаимосвязь механической и тепловой энергии была подтверждена на практике, её теоретически обосновал в своих трудах Ломоносов. Развивая свою корпускулярно-кинетическую теорию (корпускулами учёный называл молекулы), он высказал предположение, что все корпускулы, составляющие тела, вращаются, их соприкосновение друг с другом вызывает трение, что ведёт к выделению тепла. При нагревании корпускулы ускоряются, и температура тела повышается, при охлаждении – замедляются, а тело остывает. Таким образом, теплота постулировалась как проявление кинетической энергии молекул. Корпускулярно-кинетическая теория Ломоносова намного опередила не только свой век, но и следующий. К сожалению, она осталась без внимания в России, а западный мир и вовсе не знал о ней вплоть до начала XX века. В изданном в середине XIX века словаре русского языка говорилось, что «температура есть мера сгущения теплорода», а «теплород – вещественная причина жара, тепла и холода, непостижимо тонкая жидкость, изливающаяся из Солнца».

В результате первый существенный удар по теории теплорода был нанесён не из России, а из Германии, где в 1798 году американец Бенджамин Томпсон, более известный под именем графа Румфорда, проводил опыты со сверлением орудийных стволов. Известный факт, что при этом стволы нагреваются за счёт выделения большого количества тепла, граф Румфорд решил проверить в изолированной среде. Металлический ствол и сверло были опущены в воду, через некоторое время после начала сверления вода стала закипать. Огонь отсутствовал, а вода кипела – это нельзя было объяснить никак иначе, как тем, что тепло выделялось от происходившего под водой движения. Кроме того, проведение опыта в изолированной среде препятствовало бы проникновению теплорода, если бы он на самом деле существовал. Опыт Румфорда стал experimentum crucis для теории теплорода, полностью опровергнув его необходимость для тепловых процессов. Дополнительный драматизм опытам Румфорда придаёт интересная деталь его личной жизни: его второй женой стала Мария Анна Пьеретте Польз, вдова казнённого революционерами Лавуазье, долгие годы помогавшая французскому учёному в его работе, в том числе в подготовке учебника химии, «узаконившего» теплород.

Подтвердив опытным путём зависимость тепловыделения от движения, Румфорд не смог вывести эквивалент тепла, соответствующий механическому движению, что имело большое значение для придания опытам научной убедительности, и теплород по инерции ещё на несколько десятилетий продолжил главенствовать в научном сознании. В середине XIX века попытку рассчитать механический эквивалент теплоты предпринял занимавшийся усовершенствованием паровых машин французский инженер Сади Карно (автор второго закона термодинамики). По его расчётам эта величина составила 370 кгм на одну килокалорию. Известны также опыты с выведением теплового эквивалента движения, которые проводил немецкий судовой врач Роберт Майер. Он установил, что для нагревания газа при постоянном давлении необходимо больше тепла, чем для нагревания при постоянном объёме, так как в первом случае процесс сопровождается совершением механической работы. Сопоставление количества тепла в первом и втором случае позволял дать тепловой эквивалент движения.

Наиболее точные расчёты произвёл Джеймс Джоуль, проведя эксперименты с нагреванием жидкостей при вращении в них лопаток. Он получил соотношение 460 кгм/ккал (впоследствии в результате точных измерений было установлено, что механический эквивалент тепла составляет 427 кгм на 1 ккал, или 4186 Дж). Тщательность опытов Джоуля окончательно убедила современников в существовании обратимой связи между теплотой и движением. Кинетическая теория заняла главенствующее положение в физике.

Механическая и тепловая энергии стали первыми, связь между которыми удалось не только доказать, но и измерить. С развитием физики стало очевидным существование всеобщего закона превращения энергий, и тепловая была лишь одной из них. Завершением долгого пути к окончательной формулировке закона стало введение в 1860 году Уильямом Томпсоном, лордом Кельвином, термина «энергия», сделавшего закон универсальным.

При подготовке материала использованы: «Концепции современного естествознания» под ред. С. И. Самыгина, «Очерки по истории электротехники» Веселовского О. Н. В. и Шнейберга Я. А., «История физики» Марио Льоцци.