Куда девался теплород?

Лед — верный союзник исследователей теплоты

Благодаря открытиям Коперника, Кеплера, Галилея, Ньютона были установлены основные законы движения небесных и земных тел. Первые этажи величественного здания классической механики были построены уже в XVII — XVIII веках.

Если же мы обратимся к внешне более простому, повседневно и постоянно сопровождающему нашу жизнь виду движения — переходу тепла от одного тела к другому и перемещению тепловых потоков в пространстве, то здесь вплоть до середины XIX века царили неверные взгляды. Почти все ученые верили в существование «теплорода», мифического вещества — носителя теплоты. Теплород уходит из тела — оно остывает, теплород соединяется с телом — оно нагревается.

Хотя, конечно, находились прозорливые умы, объяснявшие тепловые явления совсем по-другому.

В 1738 году в Страсбурге выходит труд Даниила Бернулли «Гидродинамика»; там можно было прочесть такие слова: «…везде, где возрастает внутреннее движение частиц, теплота повышается».

21—25 января 1745 года на конференцию Петербургской Академии наук М. В. Ломоносов представляет свою работу под названием «Размышление о причине теплоты и стужи». В ней Ломоносов пишет, что поскольку «при самом быстром общем движении часто не наблюдается теплоты, а при отсутствии такового движения наблюдается большая теплота, то очевидно, что теплота состоит во внутреннем движении материи».

Предвосхищая представления, существующие в современной науке, Ломоносов фактически вводит понятие абсолютного нуля температур — «наибольшей и последней степени холода», когда полностью прекращается «внутреннее вращательное движение связанной материи», порождающее теплоту. Движение невидимых частиц вызывает появление тепла, а никакой не теплород,существование которого, как говорит Ломоносов, «…противоречит прежде всего опыту, а затем здравому смыслу».

Крушение теории теплорода, как и предвидел Ломоносов, началось с опыта. Опыта с отрицательным результатом. Как говорится при обосновании математических выводов — с помощью доказательства от противного…

Бенджамен Томсон

25 января 1798 года, через 53 года после доклада Ломоносова в Петербурге, в Лондонском Королевском обществе состоялось заседание, на котором американский ученый Бенджамен Томсон, больше известный под именем графа Румфорда, доложил результаты своих экспериментов… по сверлению пушечных стволов. Румфорд, работая в оружейном арсенале Мюнхена, обратил внимание, что при холостых выстрелах ствол пушки нагревается сильнее, чем при выстрелах снарядами, хотя, казалось бы, теплорода должно быть больше в массивных настоящих снарядах, чем в легких холостых.

Все опыты, последовавшие за этим интересным наблюдением, были сделаны Румфордом в тех же полевых (так и хочется сказать — боевых) условиях арсенала…

В пушечный ствол вводилось по очереди два сверла — острое и тупое. С помощью лошадей, бегавших по кругу, тяжелые сверла вращались внутри ствола со скоростью около 32 оборотов в минуту. Температура ствола пушки поднималась до 70°С очень быстро, причем тупое сверло, выделявшее, по общепринятым тогда представлениям, меньше теплорода, нагревало ствол больше, чем острое.

Сторонники существования теплорода, конечно, могли бы сказать, что в любом случае теплород поступал в ствол из воздуха, и Румфорд, понимая это, помещает ствол и сверла в огромный ящик с водой.

Через два с половиной часа, вращая тупое сверло непрерывно внутри ствола с помощью приводных ремней, Румфорд довел воду до кипения.

«Изумление окружающих,— писал он затем в своей статье,— увидевших, что такая масса воды закипает без огня, было неописуемым».

Гэмфри Дэви

Знаменитый физик и химик Гэмфри Дэви не мог остаться в стороне от споров о теплороде. Эксперимент Дэви был прост и остроумен: он попробовал вращать в разные стороны прижатые друг к другу два бруска… из льда. Через минуту почти весь лед превратился в воду под действием тепла, выделившегося при непрерывном вращении!

Дэви, так же как и ранее Румфорд, решил отвести подозрение в том, что во время опыта теплород воздуха участвовал в таянии льда. Дэви поместил свою маленькую установку под колпак, из которого выкачал воздух. Куски льда вращались под колпаком и терлись друг о друга с помощью часового механизма. На прижатых поверхностях ледяных образцов и под колпаком быстро стала выступать вода.

Эксперименты Румфорда и Дэви подготовили почву для создания истинно научных представлений о природе теплоты, о тепловых явлениях в окружающем нас мире. Это случилось, когда в науку пришел исследователь, сумевший увидеть сквозь частокол разрозненных опытов и наблюдений за движениями тепловых потоков глубокие общие закономерности.

Еще древнегреческий философ Платон говорил: «Лошадь увидеть всякий глупец сумеет, а вот увидеть лошадиность — талант, который дается немногим».

Создать общую теорию из единичных фактов, заложить основы области физики, получившей впоследствии название «термодинамика», сумел молодой французский ученый Сади Карно.

Источник: Марк Колтун “Мир физики“.