Теплота и холод

О том, что такое теплота, издавна существовали разные мнения. В 1620 г. Фрэнсис Бэкон, систематизируя данные об источниках тепла и холода, собирал их в таблицы. В этих таблицах можно было найти молнии и зарницы, пламя и болотные огни. Здесь же были ароматические травы, которые при внутреннем употреблении дают ощущение тепла. Из всего этого Бэкон каким-то образом делает вывод, что теплота есть "расширяющееся движение...". В 1658 г. вышли в свет сочинения Пьера Гассенди. По его мнению, теплота и холод - это разные материи. Атомы холода острые (они имеют форму тетраэдров), проникая в жидкость, они скрепляют ее.

Представление кинетической теории тепла трудно проникало в физику. Более понятной казалась теория теплорода, приписывающая теплу свойство жидкости, перетекающей из одного тела в другое. Теплород был сродни флогистону, гипотетической субстанции, связанной с огнем,- иногда их даже путали. Теплород, казалось, хорошо объяснял свойства тепла. Химики объясняли горение и окисление выделением теплорода. Теория теплорода завоевала особенно широкое признание в последней четверти XVIII века. Этому способствовало появление первых законов сохранения. Недаром даже Лавуазье верил в теплород. Сохранение теплорода при тепловых процессах казалось столь же естественным, как и сохранение вещества. Один из естествоиспытателей того времени писал: "...свету приписали два свойства: способность светить и способность нагревать. Те, которые считали свет колебанием эфира, полагали, что и теплота состоит из подобных же колебаний и движений, производимых эфиром в частицах тела. Но в новейшее время теплоту отделили от света и уже не считают непосредственным действием последнего",

Теория теплорода (мы бы говорили, модель теплорода) объясняла очень многое. Теория тепловых машин, построенная Карно, была основана на модели теплорода. И все-таки с моделью теплорода дело не вышло.

Если бы тепло было какой-то жидкостью, то она, протекая, сохранялась бы: ее количество не должно было изменяться. Так и считали: сколько тепла забрали от нагревателя, столько получил и холодильник.

На первый взгляд так оно и есть: охлаждается чайник, нагревается воздух. Но часто бывает совсем не так.

Первым, кто обратил на это внимание, был Бенджамен Томсон (ставший впоследствии графом Румфордом). Он наблюдал за тем, как в Мюнхенском военном цейхгаузе сверлят стволы пушек. Раньше никто серьезно не задумывался, почему нагревается ствол. Румфорд же задал себе этот вопрос и не нашел ответа. Единственное решение могло бы состоять в том, что в стружках содержится меньше теплорода, чем в сплошной отливке, и избыток его и выделяется при сверлении. Но тогда стружку было бы легче нагреть, чем сплошной металл, у стружек должна была бы теплоемкость меньше, чем у сплошного металла, но это решительно противоречило опыту.

Еще большая неприятность заключалась в том, что затупленные сверла "порождали" больше тепла, чем хорошо заточенные. Непонятным образом сверлением можно было добыть неограниченное количество тепла. Все это никак не укладывалось в простую модель перетекающего с места на место теплорода. Чаша весов склонялась к тому, чтобы связать природу теплоты с движением. К сожалению, точность опыта была в конце XVIII века еще очень мала, и хотя Румфорда поддержали Дэви и Юнг, которые также говорили о роли колебаний и вращений молекул в любых веществах, вся эта история мало кого убедила.

Но теория остается бесплодной, пока гипотезы остаются словами и их смысл не переводится на язык чисел и формул. Связь энергии с теплотой была установлена в опыте Джеймса Джоуля (1843 г.), давшего количественную связь между работой и теплом. Джоуль показал, что, размешивая мешалкой жидкость и нагревая ее таким образом, надо тратить 460 кгс*м работы на каждую большую калорию, полученную жидкостью^*. Несколько раньше Джоуля эту же величину, но с меньшей точностью (365 кг*см/ккал^**)), вычислил Роберт Майер, использовав результаты опытов Гей-Люссака по расширению газов в пустоту.

^* ( 1 кгс*м - работа, производимая силой в 9,8 Н па пути и 1 м, большая калория = 1 килокалории (ккал) = 103 кал.)

^** (В другой серии подобных опытов Джоуль получил значение 423 кгс*м/ккал.)

Теперь модель не уничтожающейся жидкости, теплорода, стала помехой для дальнейшего развития теории и быстро сошла со сцены. Была еще одна трудность, которую встретила модель теплорода. Если теплород - жидкость, которая совершает работу при перетекании от более высокого уровня (от более высокой температуры) к более низкому, то нельзя было понять, что происходит в неоднородно нагретом теле в процессе выравнивания температуры. Куда девается работа, которая должна совершаться при перетекании теплорода?

Теплопроводность представляли себе в то время как некоторое волновое движение внутри тела, которое передается также от одного тела к другому.

Но даже если не обращать внимания на "пропажу" работы, такая картина не могла объяснить, как передается тепло через вакуум - например, от Солнца к Земле. Говорили о колебаниях эфира, но получить из таких представлений сколько-нибудь убедительную теорию было нельзя. Теория явно терпела одну неудачу за другой.

О том, что теплота связана с движением, говорили многие естествоиспытатели. Особого упоминания заслуживает английский физик Роберт Гук, один из замечательных ученых XVII века. Ученик Бойля, он оказывал своими идеями большое влияние на учителя. По-видимому, Гук знал о законе всемирного тяготения независимо от Ньютона (об этом законе говорил и их современник Рен). Он много занимался оптическими явлениями. Гук очень ясно указывал на связь между теплотой и движением - колебаниями частиц в нагретом теле. Но, высказывая блестящие гипотезы, он не умел их проверить и не мог перевести свои идеи на язык математики. Поэтому открытие закона всемирного тяготения стало подвигом Ньютона, поэтому имя Гука редко упоминается и среди основателей теории тепла.

Правильные идеи, как мы уже говорили, высказывал М. В. Ломоносов. Многие философы (Гоббс и Локк) говорили о теплоте как о движении. Стоит упомянуть и о том, что Локк, по-видимому, первый (около 1700 г.) писало максимальной степени холода, которая "...означает прекращение движения неосязаемых частиц...". Но и философы не могли превратить неопределенные высказывания в физическую теорию, которую можно было проверить на опыте.

Дальше всех продвинулся Максвелл. Кинетическая теория тепла, созданная Максвеллом, позволила понять тепловые явления на основе классической механики. В работе Максвелла появилась формула для распределения движущихся частиц по скоростям; формула позволяла вычислить постоянные, характеризующие свойства тел,- такие, как теплопроводность и вязкость газа, и установить их зависимость от температуры.

Подобно Ньютону, создавшему небесную механику, Максвелл положил начало статистической физике (или, как ее называли в прошлом веке, кинетической теории газов).

Но и у Максвелла были предшественники.

Первая формула новой теории тепла была получена задолго до Максвелла английским любителем естествознания Уотерстоном. Но, как это бывает с "преждевременными" открытиями, ее мало кто заметил. В дальнейшем еще будет рассказано о работах Уотерстона. Сейчас же надо вернуться к термометру и температуре.