Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Вещественная и корпускулярная теории теплоты

С середины ХVIII в. термометр прочно вошел в арсенал физических исследований, а затем стал широко использоваться и в быту – для измерения температуры в помещениях и на улице, а также в медицине. Вместе с тем физическое содержание понятия «температура» оставалось нечетким. Эта и неудивительно: ответить на вопрос о там, что такое температура, можно было только в том случае, если будет уяснен смысл понятия «тепло» (а исходя из этого и «холод»).

В этом отношении XVII и особенно XVIII в. дали очень много: была подготовлена база для того, чтобы в следующем, XIX в., ответить на вопрос окончательно.

В начале XVII в. о природе тепловых явлений по существу ничего не была известно. Теория Аристотеля о смеси теплого и холодного начал («температуре») уже изжила себя. Г. Галилей заменил ее предположением о существовании одной невесомой тепловой материи (от латинского слова саlor, получившего в русской терминологии название «теплород»). Эта материя обладает способностью перетекать от одного тела к другому. Чем больше ее содержание в теле, тем сильнее оно нагрето, и наоборот – чем меньше, тем оно холоднее. Понятие о «холодном» начале при таком объяснении уже стало ненужным.

Почти одновременно с Г. Галилеем и Ф. Бэкон в одном из основных своих трудов – знаменитом «Новом органоне», выдвинул другую теорию тепловых явлений – корпускулярную. Рассуждения по этому поводу на основе ряда проведенных им опытов привели его к выводу, что тепловое состояние тела определяется движением некоторых малых невидимых частей тел – корпускул. И та и другая точки зрения были лишь гениальными догадками, а не теориями с серьезными экспериментальными обоснованиями и количественным анализом.

В дальнейшем борьба между сторонниками этих воззрений, идущих от Галилея и Бэкона, продолжалась более 200 лет; в ходе ее были получены важные результаты, одним из которых было окончательное разделение понятий «температура» и «тепло». (Если копнуть историю глубже, то можно увидеть, что корни обоих подходов уходят еще к античным философам. Корпускулярная теория обсуждалась еще греческими атомистами (Демокритом и др.) и была очень наглядно отражена в знаменитой поэме Лукреция Кара «О природе вещей». Положение о невидимых флюидах (началах) еще до Аристотеля выдвигали пифагорейцы.)

Если говорить о разделах науки, связанных с теплом, то после этого разделения вплоть до 20-х годов и даже середины XIX в. они развивались хотя и быстро, но в ограниченных рамках калориметрии, теоретической базой которой служила вещественная теория теплоты или теория «теплорода». (Термин «теплород» ввел в русскую научную литературу М. В. Ломоносов при переводе одного из разделов книги своего учителя К. Вольфа. Переведенный им шестой раздел книги был назван им «Вольфианская экспериментальная физика». Перевод Ломоносова стал первым учебником физики на русском языке. Исходный латинский термин «саlor» – отсюда появились «калориметрия», «калория» и др.)

Другими словами, изучались и измерялись лишь явления, связанные с переходом тепла (теплорода) между телами, но без всякой связи с другими формами энергии или ее преобразованиями.

При этом техника значительно опередила науку — паровые машины, преобразовывающие теплоту в работу, не только были созданы, но и постоянно совершенствовались. Но это совершенствование проводилось тогда методом проб и ошибок или, иногда, посредством исследований прикладного характера. Дальше мы увидим, что и создание холодильных установок шло вначале таким же путем.

Тем не менее, очень многое было сделано и в теории, и в части накопления экспериментального материала. Здесь очень большую роль сыграли работы друга Ломоносова — петербургского академика Г. Рихмана, а затем Д. Блэка. Д. Блэк ввел понятия «теплоемкость» и «скрытая теплота» (плавления и кипения) и тем самым окончательно разделил понятия «тепло» и «температура». Оказалось, что при неизменной температуре можно как сообщать телу тепло, так и отводить его.

Рис. 1.6. Джозеф Блэк

К концу XVIII в. сложилось положение, когда обе теории теплоты — и вещественная, и корпускулярная — существовали одновременно. Первую отстаивали и развивали после Г. Галилея Х. Вольф, Д. Блэк, А. Кроуфорд, Ж. Фурье, вторую — И. Ньютон, Д. Локк, Т. Гоббс, Р. Гук, Д. Бернулли, Б. Румфорд, Л. Эйлер, Г. Крафт, М. Ломоносов. Г. Рихман, сначала придерживающийся вещественной теории, позже перешел на сторону М. Ломоносова. Однако преимущество все же было за вещественной теорией, которая хорошо объясняла все калорические опыты, связанные с нагревом и охлаждением тел и теплопередачей: количества теплоты («теплорода») оставались при всех опытах неизменными.

Корпускулярная теория уступала ей в там, что носила качественный характер и не могла дать базу для количественных тепловых расчетов; тем не менее факты, свидетельствующие в ее пользу, накапливались. Важнейшими из них были знаменитые опыты графа Б. Румфорда с выделением тепла при сверлении пушек (1798 г.), необъяснимого (даже с натяжками) на основе теории теплорода.

Наиболее отчетливо вся ситуация с теорией тепловых явлений была отражена в работах А. Лавуазье и П. Лапласа, относящихся к 90-м годам XVIII в. Излагая обе теории, они в конечном счете воздерживаются от окончательного вывода: «Возможно, что обе теории справедливы одновременно». Такой уровень учения о теплоте (а следовательно, и о холоде) не позволял еще подвести базу под поиски новых путей получения низких температур. Однако уже можно было прогнозировать некоторые общие положения, относящиеся к этой области. Первое из них связано с вопросом о том, существует ли нижняя граница температурной шкалы и если существует, то как далеко она находится? Второе положение связано с не менее интересным и важным вопросом – как будут вести себя газы и жидкости при низких температурах?

Следующая страница: 1.4. «Наинизшая степень холода»