Что такое теплота? Этот вопрос задавали себе еще древнегреческие и древнеримские мыслители. Римский поэт Лукреций (I век до нашей эры) писал в поэме «О природе вещей»: «Теплота - такое редкое тело, что между ее частицами движется множество частиц воздуха».

Этот взгляд на теплоту как на особого рода тончайшее вещество продержался в мировой науке почти до середины XIX века. Называли это предполагаемое вещество «теплород» или «теплотвор». Вот что писал в 1825 году московский профессор Двигубский в своем учебнике физики: «Теплотвор или теплотворная материя есть жидкость, чрезвычайно тонкая и упругая, невидимая и невесомая... проникающая все тела, расширяющая их и изменяющая».

В науке XVIII века существование невесомых жидкостей («флюидов») считалось бесспорным. Физика признавала не только «теплород», но и электрическую, магнитную, световую жидкости и т. д. Знаменитый французский химик Лавуазье (вторая половина XVIII века) поместил свет и теплоту в список химических элементов наряду с водородом и кислородом.

Тем замечательнее было выступление против теории «теплотвора» великого русского ученого Ломоносова. В своей работе «Рассуждения о природе тепла и холода» Ломоносов доказывал, что теплота - не вещество, а движение молекул («нечувствительных частиц», как он их называл). Иностранные ученые встретили утверждение Ломоносова насмешками и издевательствами. Но прав был все же Ломоносов.

В середине XIX века механическая теория теплоты, согласно которой теплота есть движение молекул, одержала полную победу. В этом деле большую роль сыграли наблюдения над превращением работы в теплоту и теплоты в работу.

В конце XVIII века физик Румфорд, бывший одно время директором пушечного завода, заметил, что во время работы сверлильных станков выделяется огромное количество тепла. Например можно заставить кипеть воду, если сверлить погруженный в нее пушечный ствол. По мнению Румфорда, здесь один вид движения - трение сверла о стенки ствола пушки - превращается в другой вид движения - хаотическое перемещение молекул сверла, ствола пушки и воды, т.е. в теплоту. О превращении работы в теплоту писал и Ломоносов: «от взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем, при ударе кремня об огниво появляются искры; железо наваливается докрасна от проковывания частыми и сильными ударами». Как же защитники учения о «тепловой жидкости» объясняли эти явления? Они утверждали, что при трении теплоемкость тел (например, дерева, металлических стружек, пушечного ствола и т. д.) уменьшается, поэтому повышается их температура, подобно тому, как если перелить воду из широкого (более емкого) сосуда в узкий (менее емкий), то уровень воды в узком сосуде будет выше.

Этот довод опроверг своим знаменитым опытом английский физик Дэви. Он доказал, что два куска льда совершенно растают, если тереть их друг о друга. Как известно из физики, теплоемкость воды вдвое больше теплоемкости льда. Следовательно, теплоемкость тающего от трения льда не уменьшается, а, наоборот, увеличивается, и несмотря на это лед нагревается, значит, ссылка защитников теплорода на теплоемкость оказалась несостоятельной.

Но защитники утвердившихся в науке неправильных учений сдаются обычно далеко не сразу и придумывают самые диковинные аргументы, чтобы поддержать старые, привычные взгляды. Сторонники старого учения о теплоте придумали еще одно «объяснение» нагревания от трения. Они доказывали, что в телах имеется большой запас тепла. Это тепло находится в особом, скрытом (связанном) состоянии и потому не действует на термометр; при трении тепло выходит из скрытого состояния и нагревает трущиеся тела.

Знаменитый философ - диалектик Гегель блестяще раскритиковал это «объяснение». В своей «Философии природы» он пишет, что представление о связанной теплоте не опирается на опыт. И потому опровергнуть его опытом нельзя.

Разрешить спор между сторонниками двух теорий теплоты помогла техника. В XIX веке повсеместное распространение получили паровые машины. В паровом двигателе происходит интереснейшее для физика явление: превращение тепла в работу. Энгельс замечает в «Диалектике природы», что еще в древности люди умели превращать механическую работу в теплоту (например, добывая огонь с помощью трения). «Однако процесс, совершающийся при добывании огня трением, еще носит односторонний характер. Здесь механическое движение превращается в теплоту. Чтобы завершить этот процесс, надо добиться обратного превращения этой теплоты в механическое движение, ибо только в этом случае удовлетворяется диалектика процесса и процесс замыкается - по крайней мере, на первых порах - в круге», - пишет Энгельс («Диалектика природы», стр. 161. Партиздат. 1936).

Замыкание процесса, о котором писал Энгельс, потребовало очень много времени. Паровые машины получили практическое применение десятки тысяч лет после того, как человек научился добывать огонь с помощью трения. Физики не сразу сделали правильные теоретические выводы из фактов, которые им дала в руки новая техника. Объясняется это двумя причинами.

В начале XIX века еще не был известен закон сохранения и превращения энергии (он был открыт лишь в 40 - х годах того же столетия), а между тем проблема превращения работы в тепло (и обратно) есть, по существу, проблема превращения энергии. Кроме того, паровые двигатели конца XVIII и начала XIX века превращали в работу ничтожное количество тепла. Их коэффициент полезного действия не доходил даже до 1 процента. Это значит, что в полезную работу превращалось менее 1 процента развивавшейся в топке двигателя теплоты. Поэтому тогдашние физики отрицали, что в паровом двигателе теплота превращается в работу. Выдающийся французский физик Сади Карно считал, что работа парового двигателя подобна работе воды в колесе водяной мельницы: в мельничном колесе вода переходит от более высокого уровня к более низкому и потому производит работу. Но в работу превращается энергия воды, поднятой вверх плотиной, а не самая вода. Вернувшись в русло реки, вода теряет свою энергию, но количество воды не меняется. Точно так же, думал Карно, тепловая жидкость переходит в тепловом двигателе от более высокой температуры к более низкой и благодаря этому производит работу. Но «теплород» не превращается в работу, а целиком сохраняется, подобно тому как сохраняется вода, протекшая сквозь мельничное колесо и бегущая дальше вниз по течению.

Рассуждения Карно были ошибочны и противоречили фактам. В паровой двигатель поступает больше тепла, чем его уходит из двигателя в холодильник и в окружающую среду. Часть тепла, поступившего в двигатель, превращается в механическую энергию. При этом количество механической энергии, выработанной двигателем, пропорционально количеству теплоты, затраченной на получение энергии. Теплота превращается в механическую энергию, а значит, она также есть энергия, потому что превращаться в энергию может не вещество, а лишь энергия же.

Английский физик Джоуль тщательными опытами доказал, что при полном превращении механической работы в теплоту из каждых 427 килограммометров работы получается одна большая калория тепла. Значит, при обратном превращении тепла в работу одна большая калория тепла даст 427 килограммометров работы (эта величина называется механическим эквивалентом тепла).

Положение о том, что энергия может превращаться только в энергию же, является одним из основных следствий закона сохранения и превращения энергии. Открытие этого закона и открытие механического эквивалента тепла нанесли окончательный удар теории «теплорода» и обеспечили торжество механической теории тепла.

Итак, на вопрос, что такое теплота, физика дала в середине XIX века следующий ответ: теплота есть движение молекул.

Но не всякое движение молекул является теплотой. При трении двух тел друг о друга стройное движение молекул, связанное с перемещением этих тел, превращается в хаотическое движение молекул в разных направлениях, т.е. в теплоту. При работе парового двигателя происходит обратное явление: нестройное движение молекул превращается в правильное движение поршня двигателя - теплота превращается в механическую энергию. С точки зрения механической теории тепла, нагреть тело - значит ускорить движение его молекул. Нет особой материи тепла или холода («теплорода»), а есть лишь энергия более или менее быстрого перемещения молекул.

Энгельс пишет по этому поводу следующее: «Открытие, что теплота представляет собой молекулярное движение, составило эпоху в науке. Но если я не имею ничего другого сказать о теплоте, кроме того, что она представляет собою известное перемещение молекул, то лучше мне замолчать» («Диалектика природы», стр. 80). Как мы видим, Энгельс не считал возможным ограничиться утверждением, что теплота есть «известное перемещение молекул». Это замечание Энгельса основано на учении диалектического материализма о формах движения материи.

Согласно диалектическому материализму, нет материи без движения и нет движения без материи. Движение есть основной атрибут (свойство) материи. Но диалектический материализм понимает под движением не только перемещение в пространстве, изучаемое в механике, но и любое изменение материи: явления тепловые, электрические, световые, биологические. Соответственно этому диалектический материализм различает разные формы движения материи: механическую, тепловую, электрическую, световую, биологическую и т. д. Все эти формы движения связаны с механической формой движения: так например электрические явления невозможны без механического перемещения электронов. Но нельзя свести все формы движения целиком к механической. Каждая из форм движения материи представляет собой нечто особое, специфическое, и законы разных форм движения не сводятся к законам механики, а являются чем - то своеобразным, характерным именно для данной формы движения. Именно это имел в виду Энгельс, говоря о том, что теплота - не только движение молекул, но нечто больше этого. Теплота связана с механическим движением молекул, но не есть это движение, не сводится целиком к нему.

Современная физика полностью подтверждает эти указания Энгельса. Простое движение одной молекулы в пространстве есть механическое движение, но не теплота. Теплота появляется только тогда, когда большое количество молекул движется хаотически в разные стороны. Если бы все эти молекулы двигались в одном направлении и с одинаковой скоростью, то это было бы не тепловым явлением, а простым механическим перемещением тела. Механическое движение может происходить в любом направлении, а тепловое - только в строго определенном: теплота может переходить только от более теплого тела к более холодному. На этом примере видно качественное отличие теплоты от механических процессов. Тепловые явления необратимы, а механические - обратимы. Переместившееся тело можно вернуть в исходное положение, но нельзя, например, собрать обратно в воду остывшего чайника потерянное ею тепло.

• Страницы:
• 1
• 2
• следующая

Представьтесь или зарегистрируйтесь, чтобы участвовать в обсуждении.