Вещественная и корпускулярная теории теплоты

Вокруг нас происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим движением. Это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел, рассматриваемых как макросистемы, или — явления, возникающие при переходе тел из одного состояния (например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное). Такие явления называются тепловыми.

История развития представлений о природе тепловых явлений — пример того, каким сложным и противоречивым путем происходит постижение научной истины. Многие философы древности рассматривали огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно предпринимались попытки связать теплоту с движением, так как было замечено, что при соударении тел или трении их друг о друга они нагреваются. Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем.

Вновь был поставлен вопрос о том, что же такое теплота. В решении этого вопроса наметились две противополож­ные точки зрения. Согласно одной из них, так называемой вещественной теории тепла, теплота рассматривалась как особого рода "невесомая жидкость", способная перетекать из одного тела в другое. Эта гипотетическая жидкость была названа теплородом. Считали, что чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела.

Согласно другой точке зрения, теплота - это вид внутреннего движения частиц: чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура. В рамках таких представлений теорию тепла называли корпускулярной, от слова "корпускула" (частица). Подобных взглядов на теплоту придерживались И. Ньютон, Р. Гук, Р. Бойль, Д. Бернулли.

Большой вклад в развитие корпускулярной теории тепла внес великий русский ученый М.В. Ломоносов. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории он рассмотрел процессы плавления, испарения, теплопроводности, а также пришел к выводу о существовании "наибольшей или последней степени холода", когда движение частиц вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова, среди русских ученых было очень мало сторонников вещественной теории теплоты.

Но все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того как экспериментально было доказано сохранение теплоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости — теплорода. В вещественной теории было введено понятие теплоемкости тел и построена количественная теория теплопроводности. Многие термины, введенные в то время, сохранились и сейчас.

С помощью корпускулярной теории теплоты не удалось получить столь важные для физики количественные связи между величинами. В частности, не удалось объяснить, почему теплота сохраняется при теплообмене. В те времена не была ясна связь между механической характеристикой движения частиц - их кинетической энергией и температурой тела, поскольку понятие энергии еще не было введено в физику. В этом кроется, по-видимому, основная причина, почему корпускулярная теория не достигла в XVIII в. таких успехов в объяснении тепловых явлений, какие дала простая и наглядная теория теплорода.

Однако, к концу XVIII в. вещественная теория теплоты начала сталкиваться со все большими трудностями и к середине XIX в. потерпела полное и окончательное поражение. Большим числом разнообразных опытов было показано, что "тепловой жидкости" не существует. Так, при трении можно получить любое количество теплоты в зависимости от времени, в течение которого производится трение.

В середине XIX в. была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно работе количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание тела стали связывать не с увеличением в нем количества особой невесомой "жидкости", а с увеличением его энергии. Таким образом принцип теплорода был заменен законом сохранения энергии, количественная формулировка которого была дана в 1841—1842 гг. немецкими учеными Р. Майером (1814-1878) и Г. Гельмгольцем (1821-1894). Было установлено, что теплота представляет собой форму энергии. Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений и свойств макросистем внесли ученые В. Томсон (1824-1907), Р. Клаузиус (1822-1888), Дж. Максвелл (1831-1879), Л. Больцман (1844-1906) и другие ученые.