Глава I. Исторический обзор исследований в области теплоты

Работа и теплота

Работа и теплота... Эти два процесса известны человечеству с глубокой древности. Работа представлялась как перемещение или поднятие тяжестей, и ничего необычного, таинственного в этом процессе не усматривалось. Иное дело - теплота. Теплота на ранней стадии развития человечества была неразрывно связана с огнем. Для первобытного человека огонь - это и защита от холода, и способ приготовления пищи, и освещение жилища, и способ охоты. Почитание огня далекими предками граничило с его обожествлением как наивысшего блага.

Открытие способа добывания огня человеку, вероятнее всего, подсказала природа. Удар молнии в дерево, трение деревьев друг о друга во время бури, удар камня о камень - все эти факты, порождающие огонь, подмечались, фиксировались в памяти и передавались из поколения в поколение. Добытый огонь необходимо было все время поддерживать, хранить от непогоды, что не всегда удавалось в связи с условиями жизни того времени. Поэтому вполне естественным представлялось найти способ получения огня, чтобы не зависеть от случая, не ждать молнии или бури.

Первые приспособления для добывания огня были основаны на трении двух кусков дерева (рис. 1), Устройств, облегчающих этот процесс, было много, но принципиально они не отличались. При длительном трении кусков дерева происходило нагревание их до такой степени, что сухая трава или мелкие стружки, расположенные возле, воспламенялись. Когда это было сделано впервые, неизвестно. Важен сам факт: получать теплоту за счет совершения работы человек научился еще на заре цивилизации. "Практическое открытие превращения механического движения в теплоту так старо, - отмечал Ф. Энгельс, что от него можно было бы считать начало человеческой истории"¹. Далее, подчеркивая важность этого открытия, Энгельс пишет: "...только научившись добывать огонь с помощью трения, люди впервые заставили служить себе некоторую неорганическую силу природы"².

¹ (Маркс К., Энгельс Ф. Собр. соч., т. 20, с. 429-430)

² (Там же, с. 430 )

Рис. 1. Первые приспособления для добывания огня были основаны на трении двух кусков дерева

Удивительным представляется тот факт, что обратный процесс, процесс превращения теплоты в механическую работу, не был известен нашим далеким предкам. Первые упоминания об обратном процессе связаны с именем древнегреческого ученого Герона Александрийского и относятся к 120 г. до н. э. Герон изобрел устройство, способное вращаться под действием пара, выходящего из него. Историками древности упоминается также изготовленное им приспособление, которое за счет расширения нагреваемого воздуха открывало двери храма, поднимало помосты и др. Но изобретение этих устройств не преследовало каких бы то ни было практических целей. Их предназначение было иным: египетские жрецы таким образом внушали народу веру в чудеса. Потребовалось около 2000 лет, для того чтобы человечество осознало возможность и почувствовало необходимость осуществления обратного процесса и пришло к идее получения работы за счет теплоты. Чем же объяснить трудности в осуществлении обратного процесса? Причин этому много. Во-первых, если прямой процесс - получение теплоты за счет работы - человеку подсказала природа, то обратный процесс человек в явном виде в природе подсмотреть не мог. Во-вторых, если получение огня было жизненно необходимым, то получение энергии за счет теплоты для человека не представляло ценности. Даже в поздние годы человек не испытывал нужды в дополнительных источниках энергии, широко используя для своих нужд силу падающей воды, силу течения рек и силу ветра. На той ступени развития этого было достаточно. В-третьих, если понимание механических процессов не требовало глубокого проникновения в их суть, то с теплотой дело обстояло несколько иначе. Любопытно то, что теплота долгое время не воспринималась древними как источник энергии: теплое и холодное оценивались и воспринимались только физиологически.

Однако развитие общества, укрупнение производства, переход от кустарного ремесленничества к мануфактурам потребовали устройств, которые приводили бы в движение станки и машины. Природные силы не всегда выручали человека. Поиски нового источника энергии становятся актуальной задачей общества. Человечество начинает осознавать ту огромную силу, которая скрыта в теплоте. Однако найти способ практического овладения ею долгое время не удавалось.

Прежде чем использовать внутреннюю энергию, необходимо было разобраться в тепловых процессах, открыть законы, описывающие их. Необходимо было ввести количественные характеристики, описывающие тепловые процессы, составить представление о природе теплоты и затем приниматься за конструирование тепловых машин, преобразующих внутреннюю энергию в механическую. Лишь после того, как была создана термометрия, выработаны некоторые представления о природе теплоты, появилась возможность научного подхода к решению основной проблемы.

В последующем изложении будут кратко рассмотрены основные, этапы общего учения о теплоте, описаны первые попытки превратить теплоту в работу. Исторический обзор весьма условно разбит на такие самостоятельные разделы, как термометрия, учение о природе теплоты и первые практические шаги по пути создания паровых машин. После ознакомления с предлагаемым материалом, изложенным хронологически, читатели смогут убедиться в том, что действительно долгое время, вплоть до создания кинетической теории теплоты (1850-е годы), отдельные направления, развиваясь, не всегда были обусловлены одно другим и только к первой половине XIX в. появилась возможность обобщить эти, казалось бы, разрозненные факты. Результатом этого обобщения явилось создание одного из важнейших разделов современной физики - термодинамики.