Естествознание

В XVIII веке считалось, что одно тело бывает 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 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 - при помощи огромных сверлильных станков, приводившихся в движение лошадьми. Румфорд заметил, что во время сверления стволы очень сильно нагревались. Румфорд предположил, что причина нагревания - трение сверла о пушечный ствол, то есть совершение механической работы.

Для проверки этого 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 следовало два вывода: либо теплород можно "изготавливать" в неограниченных количествах (и это приведет к переделке всей теории теплорода), либо нагревание тел объясняется совсем иными причинами, а теплорода не существует вообще. Дальнейшее развитие науки подтвердило правильность именно второго вывода.

Опыт Румфорда показал, что при совершении работы силой трения всегда возникает некоторое количество теплоты. Поскольку в то время и работу, и количество теплоты уже умели измерять, то ждали своих ответов несколько вопросов. Первый. Если совершать по 1 Дж работы над различными веществами (например, сталью, медью, водой и т.д.), то одинаковое ли количество теплоты выделяется при этом? Второй вопрос. Если одинаковое - то сколько именно? Если же разное, то от каких причин это зависит? Были и другие вопросы. Поэтому для дальнейшего развития теории тепловых явлений потребовались новые экспериментальные данные.

Спустя полвека на арену научной деятельности выходит соотечественник Румфорда, 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.

Сила тяжести, опускавшая гирю, совершала над ней работу A = Fтяж Ч l = mg Ч h. Возникавшее при трении количество теплоты подсчитывали по основной калориметрической формуле Q=cm(t2-t1). Опыт многократно повторяли при различных условиях: изменяли количество воды, заменяли ее ртутью, меняли массу гири, высоту ее поднятия, диаметр валика, с которого сматывалась нить и т.д.

В XIX веке количество теплоты и работу измеряли не "джоулями", как сегодня, а другими единицами. Несмотря на это, вывод Джоуля остается справедливым: при любых явлениях, в ходе которых механическая работа полностью превращается в теплоту, совершение 1 Дж работы всегда приводит к возникновению именно 1 Дж теплоты. Этот вывод лег в основу термодинамики - новой теории тепловых явлений. С тех пор она существенно расширилась и превратилась в теорию о взаимопревращениях работы, теплоты и энергии вообще: химической, электрической, ядерной и т.д. В таком виде термодинамика существует и по сей день.