Развитие взглядов на природу теплоты

Несмотря на то, что на раннем этапе развития человечества теплота не представляла энергетической ценности, вопрос о природе теплоты не был безразличным для древних философов. Исследуя проблему строения материи, философы древности выдвигали в качестве первоосновы всего существующего гипотетические элементы - стихии. К стихиям они относили землю, воду, воздух и огонь. Одна из этих первооснов - огонь - была специально введена для объяснения тепловых явлений и процессов. Наиболее отчетливыми по этому поводу представляются рассуждения Платона, изложенные им в физическом трактате "Тимэй", написанном в середине IV в. до н. э. Платон не только ввел названия первооснов, но и предпринял первую попытку объяснить строение тел и их взаимопревращение. "Возьмем для начала хотя бы то, - пишет Платон, - что мы теперь называем водой: когда она сгущается, мы полагаем, что видим рождение камней и земли, когда же она растекается и разрежается, соответственно рождаются ветер и воздух, а последний, возгораясь, становится огнем; затем начинается обратный путь, так что огонь, сгустившись и угаснув, снова приходит к виду воздуха, а воздух опять собирается и сгущается в облака и тучи, из которых при дальнейшем уплотнении изливается вода, чтобы в свой черед дать начало земле и камням".

Для нас наиболее интересны в этой работе его рассуждения о природе теплоты, где он уже различает "материю пламени", "материю света" и "материю тепла". Таким образом, Платона можно считать автором материальной теории теплоты, автором теории теплорода. Позднее ученые использовали его идеи и, несколько осовременив, продолжали развивать их в своих работах, не всегда ссылаясь на первоисточник. Но ничего нового, тем более оригинального, к уже существующему им добавить не удалось. Так продолжалось до XVII столетия.

На рубеже XVII - XVIII вв. вопрос о природе теплоты был вновь поставлен на повестку дня, в то время когда развивающаяся промышленность потребовала создания нового типа двигателя. Вновь была возрождена вещественная гипотеза теплоты - гипотеза теплорода, которая объясняла ряд известных явлений и процессов. Подкупали в ней наглядность и возможность проведения аналогии: течение теплорода предполагалось аналогичным течению жидкости. Более того, гипотеза теплорода давала возможность математического описания процессов, причем полученные выводы совпадали с фактами, установленными экспериментально. Так, с позиции теплорода ученым удалось объяснить процессы нагревания тел, их тепловое расширение, теплообмен, тепловое равновесие и др. Эта гипотеза получила поддержку таких ученых, как Бойль, Лавуазье, Лаплас, Фурье и др. Поэтому не удивительно, что гипотеза теплорода заняла ведущее место в ряду других гипотез о природе теплоты.

Наряду с вещественной гипотезой теплоты в древности также были заложены основы гипотезы, в соответствии с которой теплота представляет собой механическое движение некоторых частиц - первооснов, составляющих тело. Развитие общих представлений об окружающей природе одновременно способствовало развитию этой гипотезы, и, нужно отметить, она сумела не только выжить, но и со временем увеличить число своих сторонников.

Второе рождение гипотеза теплоты как движения микрочастиц, составляющих тело, получила в XVII в., в те же годы, что и гипотеза теплорода. Теплоту как движение малых частиц, из которых построены тела, объяснял Ф. Бэкон. Более подробно излагал подобное воззрение Р. Декарт. Представление о теплоте как результате движения мельчайших частиц, образующих тело, было поддержано такими известными учеными, как Ньютон, Гук, Гюйгенс и др. Попытка математически интерпретировать кинетическую теорию теплоты была впервые предпринята Д. Бернулли (1700 - 1782). В трактате "Гидродинамика", вышедшем в свет в 1738 г., он первым в истории физики пытается объяснить нагревание тел увеличением скорости движения частиц, из которых они состоят. Эти частицы, согласно Бернулли, двигаются с большими скоростями в разных направлениях, "Упругость воздуха повышается не только вследствие сгущения, - пишет он в своем трактате, - но и вследствие увеличения теплоты, ибо известно, что везде, где возрастает внутреннее движение частиц, теплота повышается". Это четкое утверждение автора долгое время не встречало поддержки. Активным сторонником гипотезы теплоты как механического движения "нечувствительных частиц", составляющих тело, был русский ученый М. В, Ломоносов (1711 - 1765). Свои идеи и примеры, подтверждающие высказанное им, Ломоносов обобщил в диссертации "Размышления о причине теплоты и холода", опубликованной в 1750 г. В этой работе ученый, ссылаясь на очевидные факты, рассуждает о механической природе теплоты. "Очень хорошо известно, - пишет Ломоносов, - что теплота возбуждается движением: от взаимного трения руки разогреваются, дерево загорается пламенем; при ударе кремня об огниво появляются искры; железо накаливается от проковывания частыми и сильными ударами, а если их прекратить, то теплота уменьшается и произведенный огонь в конце концов гаснет. Далее, восприняв теплоту, тела или превращаются в нечувствительные частицы и рассеиваются по воздуху, или распадаются в пепел, или в них настолько уменьшается сила сцепления, что они плавятся... Из всего этого совершенно очевидно, что достаточное основание теплоты заключалось в движении какой-то материи". Далее: "Мы считали, что никто... не будет теплоту, источник стольких изменений, приписывать материи спокойной, лишенной всякого движения, а следовательно, и двигательной силы".

Д. Бернулли

М. В. Ломоносов

Отстаивая механическую теорию теплоты, Ломоносов в заключительной части своей диссертации резко обрушивается на сторонников теории теплорода. Весьма любопытным и остроумным представляется логический ход рассуждений ученого: если расширение тел при нагревании объясняется как результат проникновения теплорода в поры нагреваемого тела, то почему же расширение всех тел при одной и той же степени нагревания различно? Могут возразить, продолжает полемизировать ученый, что значительное сцепление частиц препятствует расширению некоторых тел. Но ведь сталь расширяется сильнее, чем железо, хотя тверже последнего. То же самое можно сказать о бронзе и меди. Не в пользу сторонников гипотезы теплорода и тот факт, что вода при нагревании сжимается¹. Аналогично ведет себя и чугун. "На основании всего изложенного выше, - заканчивает свою работу Ломоносов, - мы утверждаем, что нельзя приписывать теплоту тел сгущению какой-то тонкой, специально для этого предназначенной материи, но что теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи нагретого тела".

¹ (Это свойство воды проявляется при нагревании ее от 0 до 4°С)

Диссертация Ломоносова появилась в те годы, когда гипотеза теплорода была общепринята и почти никем не оспаривалась. И вполне понятна реакция ученого мира на появление этой работы. Академическое собрание, которое рассматривало диссертацию Ломоносова, весьма скептически отнеслось к идеям ученого. Не помогла даже веская аргументация в виде примеров. Опубликовать диссертацию удалось только после того, как Эйлер высоко оценил ее и дал блестящее заключение. Однако появление в печати работы Ломоносова вызвало поток резкой критики в адрес ученого. Но это не обескуражило его: он продолжает отстаивать свои взгляды на механическую теорию теплоты и более детально развивать выдвинутые им положения. Однако ни дальнейшие работы Ломоносова в этом направлении, ни старания Эйлера, который пропагандировал идеи русского ученого, не смогли поколебать уверенности, точнее, самоуверенности сторонников гипотезы теплорода.

Противников гипотезы теплоты как механического движения "нечувствительных частиц" можно понять. Ломоносов полностью отвергал гипотезу, выводы из которой хорошо согласовывались с экспериментальными результатами. Механическая же гипотеза, развиваемая Ломоносовым и другими учеными, носила скорее качественный характер и не могла на том уровне предложить количественный метод описания наблюдаемых тепловых явлений. Идеям Ломоносова не хватало математического языка, чтобы переубедить сторонников гипотезы теплорода. Но по крайней мере ученый сумел заронить сомнения, что в конце концов ускорило расцвет кинетической теории теплоты, которая была окончательно сформулирована в середине XIX в. в работах известного ученого Р. Клаузиуса.

Сокрушительным ударом по гипотезе теплорода были опыты, проведенные в 1798 - 1799 гг. Б. Румфордом (1753 - 1814) и Г. Дэви (1778 - 1829). Руководя работами по изготовлению пушек, Румфорд заметил, что при сверлении канала в пушечном стволе выделяется большое количество теплоты. Осуществляя этот процесс в воде, он доказал несостоятельность гипотезы теплорода. "Обсуждая этот предмет, - сообщал в своих опытах Румфорд, - мы не должны забывать учета того самого замечательного обстоятельства, что источник теплоты, порожденный трением, оказался в этих экспериментах явно неисчерпаем. Совершенно необходимо добавить, что это нечто, которое любое изолированное тело или система тел может непрерывно поставлять без ограничения, не может быть материальной субстанцией; и мне кажется чрезвычайно трудным, если не совершенно невозможным, создать какую-либо точную идею о чем-то, что в состоянии возбуждаться и передаваться подобно тому, как возбуждается и передается в этих экспериментах теплота, если только не допустить, что это "что-то" есть движение".

Не менее эффектны были и опыты Дэви. Он показал, что при трении двух кусков льда под колоколом воздушного насоса выделяется значительное количество теплоты, достаточное для их плавления. Опыты Дэви не оставляли никакой надежды сторонникам теплорода. Невозможность проникновения теплорода к трущимся кускам льда была более чем убедительна. Однако и эти, казалось бы, сокрушительные удары не были смертельными для гипотезы теплорода.

Г. Дэрви

Несмотря на аргументированные и убедительные факты, механическая гипотеза теплоты продолжала оставаться в "золушках". Большая часть ученых не приняла ее по причинам, указанным выше; было мало логических утверждений и экспериментальных обоснований. Необходим был математический аппарат, пользуясь которым можно было бы рассчитать все известные тепловые явления и процессы. Этим и объясняется то, что всю первую половину XIX в. ученые в своих теоретических исследованиях использовали гипотетический теплород, хотя многие из них и чувствовали уязвимость подобной концепции. Гипотеза теплорода держалась в науке до тех пор, пока вопрос о превращении теплоты в работу не был поставлен на повестку дня. Эта гипотеза только тормозила дальнейшее развитие физики. Утверждение в науке механической теории теплоты почти не вызвало удивления в среде физиков: внутренне все они были готовы к этому. Не хватало только "песчинки", которая бы вызвала к жизни лавину исследований в области теплоты. Этой "песчинкой" оказалась работа Клау-зиуса "О движущей силе тепла и о законах, которые могут быть получены из учения о теплоте", опубликованная в 1850 г.