Из истории термодинамики

В XVIII веке считалось, что одно тело теплее другого потому, что содержит больше теплорода – невесомого вещества, создающего ощущение тепла. Считалось также, что теплород нельзя ни создать, ни уничтожить; он только переходит от одних тел к другим, вызывая охлаждение первых и нагревание вторых.

Однако в 1798 г. министр внутренних дел Баварии граф Б. Румфорд проделал знаменитый опыт, оставивший теорию теплорода лишь в пыли библиотек.

В те времена пушки изготавливали так. Из расплавленного металла отливали пушечные стволы, не оставляя внутри них канала для ядер. Его высверливали позже – огромными сверлильными станками, приводившимися в движение лошадьми (см. рис.). Румфорд заметил, что во время сверления стволы очень сильно нагревались. Он предположил, что причина нагревания – трение сверла о пушечный ствол, то есть совершение механической работы.

Для проверки своей гипотезы (предположения) Румфорд решил увеличить силу трения. Для этого он взял тупое сверло, а пушечный ствол поместил в бочку с водой. Спустя два с половиной часа, к величайшему изумлению свидетелей этого грандиозного опыта, вода закипела!

Из опыта Румфорда следовало, по крайней мере, два вывода. Либо теплород можно «изготавливать» в неограниченных количествах (и тогда это приведёт к переделке всей теории теплорода), либо нагревание тел объясняется совсем иными причинами, а теплорода не существует вообще.

Дальнейшее развитие науки подтвёрдило правильность именно второго вывода – при совершении работы силой трения всегда возникает некоторое количество теплоты.

В то время и работу, и количество теплоты уже умели измерять, поэтому возникало много вопросов. Например, таких. Если совершать по 1 Дж работы над различными веществами (сталью, медью, водой и так далее), то одинаковое ли количество теплоты выделится при этом? Если одинаковое – то сколько именно? Если же разное, то от каких причин это зависит? Были и многие другие вопросы. Поэтому для дальнейшего развития теории тепловых явлений потребовались новые экспериментальные данные.

Спустя полвека на арену научной деятельности выходит манчестерский пивовар Д. Джоуль. Его экспериментальной установкой стал калориметр с погруженной в него мешалкой, которая приводилась во вращение опускавшейся гирей (см. рисунок). Трение лопастей мешалки о воду или ртуть, которыми заполнялся калориметр, приводило к их нагреванию. Это измеряли термометром

Сила тяжести, опуская гирю, совершала работу A = F · l = mg · h. Возникавшее при трении количество теплоты подсчитывали по основной калориметрической формуле Q=cmDt°.

Опыт многократно повторяли при различных условиях: изменяли количество воды, заменяли её ртутью и другими жидкостями, меняли массу гири, высоту её поднятия и так далее. Однако вывод был всегда один и тот же: совершение 1 Дж механической работы приводило к возникновению теплоты в количестве именно 1 Дж. Этот экспериментальный факт стал подтверждением закона сохранения энергии, прежде существовавшего только как гипотеза (теоретическое предположение).

Закон сохранения энергии лёг в основу термодинамики – новой для того времени теории тепловых явлений. С тех пор она существенно расширилась и превратилась в теорию о взаимопревращениях работы, теплоты и энергии вообще: химической, электрической и так далее. В таком виде термодинамика существует и по сей день.