Гипотезы и заблуждения, о которых должен знать современный человек

Вернемся к непосредственному обсуждению вопроса о теплоте. Конечно, люди научились пользоваться энергией Солнца задолго до того, как появилось само понятие «энергия», добыча огня, обогрев и приготовление с его помощью пищи были известны еще в первобытном обществе. Кем-то впервые было замечено, что добавление в костер разожженного ударом молнии «топлива», коим являлось сухое дерево, увеличивает время горения и интенсивность выделения тепла.

Только во II в. грек Герон попытался впервые применить теплоту сгорания топлива на производство работы. Им был сконструирован первый паровой двигатель, однако столь несовершенный, что остался незамеченным в научных кругах и не использовался в быту. И Леонардо да Винчи, и Ньюкомен, и Папен пытались соорудить более совершенные «тепловые двигатели», однако первая удачная модель паровой машины была создана крестьянином-самоучкой И. И. Ползуновым, но его изобретение, к сожалению, также не получило распространения.

XVII столетие по праву называется веком пара, именно в это время английский физик Д. Уатт создал машину, коренным образом видоизменившую всю промышленность, а также транспорт, как водный, так и сухопутный.

С древнейших времен существовало множество самых невероятных предположений, пытавшихся объяснить природу пара. Одной из самых распространенных точек зрения было представление о невесомом «эфире», или «теплороде», способном перетекать из одного тела в другое и тем самым «передавать» тепло, соответственно, чем больше в теле теплорода, тем оно горячее. Поиски загадочного теплорода не принесли желаемого результата.

Теория теплорода не оправдывала свое существование, поэтому уже Ломоносов предполагал в своей работе «Размышления о причине теплоты и холода», что само понятие теплоты заключено в глубинном строении вещества, а точнее, в движении составляющих тело корпускул. Его идеи вновь получили свое экспериментальное подтверждение лишь столетие спустя, в исследованиях Дэви и Румфорда. Ими было замечено, что при трении двух кусков льда друг о друга в вакууме происходило их таяние. Теплород в любом случае не мог бы перетекать из одного холодного тела в другое, кроме того, поступление его извне было невозможно в условиях вакуума. Английские исследователи предположили, что теплота — это своеобразная форма движения.

Согласно выводам молекулярно-кинетической теории, тепло создается движением молекул и атомов, входящих в состав вещества. Суммарное хаотическое движение мельчайших частиц тела (броуновское движение) и предопределяет запас общей энергии тела, т. е. его тепловой ресурс. Если тело нагрелось, следовательно, увеличилась средняя скорость смещения его составляющих, если же остыло — броуновское движение замедлилось.

Внутренняя энергия в ходе совершения работы расходуется, помимо всего прочего, на преодоление всегда существующего в реальном пространстве трения, поэтому-то и нагреваются механизмы, задействованные в работе, именно поэтому растаял лед в эксперименте Дэви и Румфорда.

Так была установлена природа тепла, после чего понадобилось ввести единую систему определения температуры. Цельсий предложил шкалу, при которой за отправную точку бралась температура таяния льда, верхний же порог — температура кипения воды. Вся шкала делилась на 100 равных частей, каждая из которых являлась градусом Цельсия.

Принцип, положенный в основу работы разного вида термометров, является общим: тела изменяют свой объем при нагревании или охлаждении. В самом распространенном ртутном термометре объем ртути находится в непосредственной связи с температурой (тела или окружающей среды). Нагревающаяся ртуть начинает занимать больший объем, следовательно, смещается на определенное количество делений термометра вверх, при охлаждении же, наоборот, столбик ртути «сползает» вниз.

Были предложены и другие шкалы температур, отличающиеся от шкалы Цельсия лишь ценой делений на термометре. Например, градус по шкале Реомюра составляет 5/4, а градус шкалы Фаренгейта — 5/9 градуса Цельсия. Для дальнейшего объяснения необходимо внести понятие «теплового равновесия» — равномерного распределения тепла между взаимодействующими телами или составными частями одного тела. Для наглядности приведем пример. Для измерения температуры тела с помощью медицинского термометра требуется в среднем 5—10 мин, за это время и происходит выравнивание температуры градусника и тела, если на систему тел не воздействовать извне, она самопроизвольно «уравновешивается».