Страницы истории науки и техники

XVIII–XIX вв. были установлены два, как тогда полагали, независимых друг от друга закона сохранения: закон сохранения массы и закон сохранения энергии, — согласно которым масса и энергия изолированной системы неизменны. Это долгое время считавшееся незыблемым представление классической физики претерпело изменения, связанные с теорией относительности. Об этом будет сказано позднее.

Отказ от теории теплорода, естественно, включил в повестку дня вопрос о сущности теплоты. Мы уже касались этого вопроса. Согласно кинетической теории тепла, тепловая энергия есть не что иное, как сумма энергий мельчайших частиц: молекул, атомов, электронов и др. В газе, например, представляющем собой совокупность мельчайших частиц, находящихся в беспорядочном, хаотическом движении, энергия каждой из частиц определяется скоростью ее движения (ее кинетической энергией, причем принимается в расчет поступательное и вращательное движение, а также колебательное движение атомов в молекулах) и положением в отношении других частиц (ее потенциальной энергией), Тепловая энергия рассматриваемого газа в целом, согласно сказанному выше, есть сумма энергии (кинетической и потенциальной) всех единичных мельчайших частиц.

Из сказанного следует, что тепловая энергия является, по существу дела, частным, хотя и особенным случаем механической энергии. Такое понимание существа тепловой энергии укрепило представление о законах механики как об универсальных, всеобъемлющих законах, к которым могут быть сведены все явления природы.

Важное открытие, подтвердившее на основе опытных наблюдений справедливость кинетической теории, было сделано в 1827 г. английским ботаником, почетным членом Петербургской Академии наук Робертом Броуном (1773–1858). Это открытие получило широкую известность под названием броуновского движения. Броун проводил опыты с очень мелкими (порядка микрометра) частицами пыльцы растений, находящимися во взвешенном состоянии в воде. Он наблюдал за этими частицами через микроскоп и установил, что они находятся в непрерывном хаотическом движении. Опыт показал, что это движение усиливалось с ростом температуры воды и, наоборот, ослаблялось с ее понижением. Анализ наблюдений броуновского движения привел к выводу, что причиной его возникновения является непрерывная бомбардировка мелких взвешенных в воде частиц еще более малыми частицами (молекулами), составляющими воду. Эта бомбардировка, различная (и непрерывно изменяющаяся) с разных сторон, взвешенной частицы имеет, как это на первый взгляд ни удивительно, тепловую основу. Невидимые вследствие своей малости даже через лучшие микроскопы частицы воды, находящиеся в тепловом, хаотическом движении, заставляют двигаться также весьма малые, но уже видимые в микроскоп взвешенные в воде частицы.

Итак, форм энергии много, все они могут в совершенно определенных, раз установленных количествах превращаться друг в друга. Закон сохранения энергии фиксирует, что в замкнутой системе сумма всех видов энергии остается неизменной. И все-таки есть один вид энергии, который существенно отличается от всех других. Это тепловая энергия. Особенность тепловой энергий может быть сформулирована очень просто: любой вид энергии может быть легко превращен во все другие виды энергии, в том числе и в тепловую. Хорошо известный, можно сказать вездесущий, процесс трения есть не что иное, как превращение в тепловую энергию других видов энергии. Тепловая же энергия в другие виды энергии превращается с известными ограничениями и всегда не полностью.

Особенность тепловой энергии состоит в том, что она является энергией неупорядоченного, хаотического движения мельчайших частиц тела, в то время как все другие виды энергии — результат упорядоченного движения. Порядок всегда проще превратить в хаос, упорядочить же хаос гораздо труднее.

Изучением тепловых свойств веществ занимались и занимаются две различные по своим методам науки: термодинамика и статистическая физика.