Как люди искали тепло, ч.1. Невесомые жидкости, которых не было
Задам я вам, дамы и господа, вопрос: что такое тепло? А вы мне такие: ну ты чо? Тепло — это, в натуре, тепло! Батарея тёплая, кот тёплый, кипяток вообще офигеть какой тёплый, ошпариться можно! Те, кто школьный курс физики ещё помнит, скажут примерно так: тепло — это энергия движения молекул. Это будет, кстати, довольно близко к объективной сути явления. Но до этого ответа человечество шло очччень долго, наизобретав по пути невиданные вещи. Про это я вам и расскажу.
В современной физике главный раздел, отвечающий за тепло — это термодинамика. Она, как и механика, и некоторые другие части, имеет характерную такую особенность: основные штуки, которые термодинамика исследует, были с человечеством рядом… примерно всегда. Это вам не квантовые явления, и не электромагнетизм — их-то человек впервые пощупал, только когда предварительно сам организовал. А вот огонь, кипяток и холодная вода — человек с этим тыщи лет работает, живёт и от этого иногда помирает. Но одно дело — знать, как с огнем и теплом обращаться, а другое — понимать, в чем их суть и природа.
Огонь как стихия
Древние греки особо не усложняли: огонь — это просто одна из четырёх стихий, а «горячее» и «холодное» — базовые качества вещей и материалов, вроде «сухого» и «мокрого». Маргиналы-атомисты, в первую очередь Демокрит, додумались до атомов, из коих состоят разные вещества. Атомы огня у него были круглые и юркие, оттого всюду проникающими. Качество аналитики соответствовало эпохе.
Существенно позже, когда Европа в Средние века доросла до алхимии, алхимики придумали особое «начало горючести» и назвали его серой. Но это не та сера, которая желтый порошок, это был метафизический «принцип материи», о как! Вообще, долгое время тепло и огонь считались одной сущностью: что горит, то и греет. Кот теплый, потому что в нём стихийного огня много содержится. Вот когда помрёт, огонь из него выйдет, кот-то и остынет. Логично? На первый взгляд да.
Так называемый алхимический круг (а также квадрат и могендовид). Красным обведен символ философской серы. Можно догадаться, что эзотерики в алхимии было едва ли не больше, чем науки.
Тут важно сделать замечание. Описанные концепты жили в головах немногочисленных нердов, вроде тех же философов и алхимиков. Подавляющее большинство их современников про такие абстрактные материи не помышляло. Кузнец не думал, что в его печи «начало горючести» выходит из угля и раскаляет железную крицу. Ему некогда, ему ковать надо! Пивовар не осознавал, что «элемент огня» входит в его солод и воду, и создает напиток богов (ну или кислую мочу, смотря откуда руки растут). Но ремесла, тем не менее, апгрейдились и становились сложными технологиями. Простые сыродутные печи для выплавки железа мутировали в der Stückoffen (классное название, да?), потом в XV веке возник такой хай-тек как доменная печь — с очень сложным внутренним миром, в том числе по части тепла. Со стороны прикладной химии-алхимии тоже времени не теряли — всякие растворы, расплавы, дистиллирование и оксидирование становились техническими процессами для получения лекарств, ядов и прочих ништяков. Короче говоря, опыт технологии накапливался. И лучшие умы человечества желали объяснения: а какова природа вот этого всего?
Доменная печь 18 века. Зацените, там даже воздух поддувается водяным колесом! Процессы внутри столь сложны, что окончательную картину сложили где-то в середине XX века.
Флогистон: основа горючести
В конце XVII века немцы Иоганн Бехер и Георг Шталь превратили мистическую алхимическую «серу» в стройную теорию. Они заявили, что всякое горючее вещество содержит в себе уникальный элемент - флогистон (от греческого «горючий»). Дрова горят — это флогистон из них улетает, остаётся зола. Металл ржавеет — тоже, значить, теряет флогистон и превращается в «окалину». А если «окалину» нагреть с углём, который набит флогистоном под завязку, то уголь чудесной субстанцией поделится, и получится снова металл. Оппа, а ведь именно так железо и выплавляют!
Георг Шталь смотрит на тебя, как на дефлогистированное тело.
Теория объясняла немало всего. Почему свеча, запертая под колпаком, гаснет? Так воздух в запертом объеме насытился флогистоном, и больше не берёт, горение невозможно. Зачем мы дышим? Чтобы сбрасывать флогистон из организма. Изящно, научно! Также она объясняла и существовавшие технологии.
Были у теории, конечно, и косяки. Скажем, металл при ржавлении, как правило, тяжелеет. Отдал флогистон, но стал тяжелее, какого лешего? Некоторые хитрожопые говорили: видимо, у флогистона отрицательный вес. В общем, теория завладела умами образованных нердов. Пиво, что характерно, продолжали варить, не думая про флогистон. Выплавка железа и её апгрейды тоже делались ремесленниками, а не знатоками теорий.
Блэк: температура и тепло как две большие разницы
Тем временем в Шотландии Джозеф Блэк в 1750–60-х сделал пожалуй, главное открытие века в науке о тепле. Он развёл два понятия, которые все нещадно смешивали: температуру и количество теплоты. Шоб вы понимали принцип, я вам аналогию приведу: температура — это как крепость алкоголя в стакане, а теплота — как общее количество выбуханного в пересчёте на чистый спирт. Поэтому в нагретой ванне теплоты содержится больше, чем в чашке чая, хотя чай горячее. И нет, для науки восемнадцатого века такая абстрактная разница была ни хрена не очевидна. Это мы сейчас такие умные.
Продолжая эксперименты, Блэк заметил две странности.
Первая: вещества нагреваются по-разному. Чтобы нагреть килограмм воды на градус, тепла нужно раз в тридцать больше, чем для килограмма ртути. Зато в ртути плавает урановый лом. Будто у веществ разная «вместимость» под тепло. Отсюда возникло слово «теплоёмкость». Блэк её, ясное дело, измерил для разных веществ — для воды и для меди, масла и чугуна. Стала вырисовываться численная картинка.
Второй фокус ещё интереснее: когда лёд тает, он поглощает тепло, а его температура не растёт, пока он весь не растает. Куда девается тепло? Блэк обозвал это скрытой теплотой: она как бы прячется в жидкой воде, а при замерзании выходит наружу. Чтобы растопить лёд, такую же теплоту надо загнать в него, это при условии что вы нагрели его до нуля. С кипением (из воды в пар) такая же фигня.
Первый "сложный" график в посте. Где красная линия горизонтально - там идет плавление или замерзание. Температура не меняется, всё тепло уходит в скрытую теплоту.
Кстати, при университете в Глазго работал и молодой Джеймс Уатт. Он дружил с Блэком и раздумывал над паровой машиной Ньюкомена. Позднее он изобретёт знаменитую паровую машину Уатта, и начнется настоящий стимпанк. Но об этом в следующих текстах.
Лавуазье: казнь флогистона и рождение теплорода
В 1770-х за дело взялся француз Антуан Лоран Лавуазье. Это был, без шуток, один из величайших ученых 18 века, а конкуренция была мама не горюй. В первую очередь он занимался химией, но, как положено великому энциклопедисту, блистал и в соседних областях. Суперсилой Лавуазье была его тщательность в измерениях и методичность в экспериментах. То есть записи были не вида «я смешал селитру с уксусом, оно жахнуло, и выпал осадок, пахнущий как ношеные носки». Было записано, в котором часу всё случилось, сколько точно было селитры, какой именно уксус, в чём смешивали, как сильно жахнуло, и чьи носки сопоставлялись по запаху.
Просто poster boy французской науки. Статуя в Лувре.
Занимаясь вопросом огня, дотошный француз выяснил: при горении вещество не теряет что-то, а напротив, забирает часть воздуха. Эта же часть воздуха требуется жЫвотным, чтобы дышать, как выяснил его современник, британец Джозеф Пристли. В 1794м Пристли — кстати, проповедник весьма прогрессивных взглядов, — официально открыл газ кислород. Это объяснило находку Лавуазье. Металл тяжелеет при ржавении почему? потому что соединяется с кислородом. Кислородная теория изрядно подвинула концепт флогистона, и его акции резко пошли вниз.
Тут вопрос «что такое тепло?» раскололся надвое. Химию горения объяснил кислород. Но откуда же берётся жар? И Лавуазье делает ход конём: вместо одной невесомой субстанции вводит другую, «пламенную жидкость». Чуть позже ей дается емкое название — калорик (calorique, в оригинале). Наш народ импортозаместил этот латинизм как «теплород». В учебнике 1789 года Лавуазье вписал теплород в список простых веществ, рядом с кислородом и железом. Флогистон выгнали в дверь, а невесомая и невидимая жидкость влезла в окно.
Теплород, описывал Лавуазье, работает так: он отталкивается сам от себя, но соединяется с частицами обычного вещества. В свободном виде теплород порождает — правильно, котятки, ощущаемое тепло. И это объясняло очень многое. Газообразный кислород, по мысли французов, состоит из «основы кислорода» и уймы теплорода. При горении основа газа соединяется с топливом, а теплород освобождается — вот вам и жар. Тепло переходит от горячего к холодному — это потому, что теплород растекается туда, где его меньше. Тела при нагреве расширяются, оттого что вкачанный в них теплород раздвигает частицы. Скрытая теплота, обнаруженная Блэком — ну вот такой теплород, «связанный» с веществом. Газ при сжатии нагревается — это теплород выдавливают из него, как воду из губки.
Теория отлично поддавалась расчётам, и правила наукой ещё полвека. Мы до сих пор используем её понятия: тепло «перетекает», его «количество» «содержится» в теле. И, конечно же, калории в вашей еде называются в честь неуловимой жидкости.
Но вопрос «так что же такое тепло» тактично обошли. Лавуазье писал, что невесомый жидкий элемент есть только причина жара. А само тепло — ну, это просто ощущение тепла, вот так.
В 1783 году Лавуазье с Лапласом построили ледяной калориметр — прибор для измерения количества тепла по растаявшему льду. В одном из опытов внутрь даже сажали морскую свинку, чтобы сравнить дыхание с медленным горением. Но английским мышам, на которых Пристли открывал кислород, повезло меньше.
Кстати, сам Джозеф Пристли так и остался сторонником теории флогистона до конца своей жизни. Это очень хорошо показывает, как на самом деле менялись теории в естественных науках. Не было такого, что происходили некие вау-эксперименты, и по результатам все осведомленные ученые присягали новой теории, а старую дружно отправляли в чулан. Олдовые концепции иногда умирали только вместе с последними приверженцами.
Лавуазье натворил ещё бездну науки, дожил до 50, и умер не своей смертью. Он был химиком, но не отравился парами свинца или ртути. Он заведовал промышленным изготовлением пороха во Франции, но не взлетел на воздух. Дело в том, что Лавуазье был ещё и откупщиком — частным сборщиком налогов. Потом случилась Великая французская революция, и в 1794 году его вместе с другими откупщиками объявили преступниками. Несмотря на протесты научного сообщества, гильотина технологично отделила умную голову Лавуазье от его буржуазного тела. Те кто интересуется астрономией, знают такие места как точки Лагранжа. Их открыватель якобы сказал по случаю: чтобы срубить эту голову, хватило мгновения, а чтобы родилась подобная, может не хватить и столетия.
Граф, который сверлил пушки
Важный удар по теории теплорода нанёс человек с биографией прожжённого авантюриста. Американец Бенджамин Томпсон воевал за британцев против своих земляков, после фэйла британской короны бежал в Европу, там перестроил армию для баварцев, изобрёл экономичную печь и кофейный перколятор, и за всё это был пожалован дворянством, став графом Румфордом. Он не переставал менять подданство, шпионить в пользу тех, кто платил ему, и в целом был редкостным пройдохой. Как в этот плотный график вписалась наука - загадка великая есть.
В конце 1790-х в мюнхенском арсенале он обратил внимание, что при сверлении пушечных стволов металл изрядно раскаляется. Румфорд поставил опыт: тупым сверлом, которое крутила лошадь, он сверлил стальную болванку, погружённую в воду. Через два с половиной часа вода закипела, к полному восторгу зрителей. И тепло шло и шло, пока лошадь наматывала круги.
Вывод Румфорда логичен: будь тепло веществом, запасённым в металле, оно бы кончилось. А его можно добывать сколько угодно, лишь бы было движение. Откуда берется всё время этот ваш теплород? Лошадь-то не остывает! Значит, тепло на самом деле и есть движение. Он даже проверил, что у насверленной стружки та же теплоёмкость, что у цельного металла, то есть теплород из стали не «выжимается».
Опыт Румфорда. Одно из наименее всратых изображений, найденных в интернете
Но учёные не сдали просто так концепт теплорода. Мало ли, может невидимая жижа подтягивается извне, а сколько её вообще в металле, никто не знает. И это тоже важно понимать: одного опыта категорически мало, чтобы убить хорошую теорию. Теплород оставался реальностью физики ещё лет сорок.
А в 1805 году Румфорд женился на вдове Лавуазье. Общество крутых естествоиспытателей, как понимаете, было тесным. Брак вышел несчастливым, и через несколько лет супруги разъехались. Можно только гадать, не спорили ли они за ужином о природе тепла.
А как же молекулы?
Да, как со всем описанным карнавалом стыкуется фраза из наших учебников, про тепло как меру энергии движения частиц? А это, дорогие мои, уже кинетическая теория тепла. Она придёт на смену теплороду лишь в следующих постах в 19 веке.
Интересно, что идея-то витала в воздухе. Догадка, что тепло — движение мельчайших частиц, на самом деле старая. Фрэнсис Бэкон пришёл к этому ещё в 1620 году, так же думали "первый настоящий химик" Бойль, Исаак "Три закона" Ньютон, и его соперник Роберт Гук. Даниил Бернулли в 1738 году математически вывел давление газа, рассчитывая удары шариков-частиц о стенку. И нет, я не добавлю сюда Демокрита: в его концепции атомов слишком много очаровательной пурги, чтобы считать её предтечей молекулярной теории.
Широко известный поморский рыбак Михайло Васильевич Ломоносов в 1740-х тоже писал, что теплота есть вращательное движение частиц. Правда, в концепции Ломоносова был видный изъян.
Но все эти соображения оставалось догадками. Частиц никто не видел, количественной теории не было, а теплород тем временем выдавал формулы и верные предсказания.
Кратко и с выводами
Понимание того, что такое тепло, менялось по мере того, как человеки обдумывали окружающий мир. Тепло понималось как «стихия огня», как «принцип серы» в алхимии. При этом такие абстрактные концепции жили отдельно от прикладного ремесла и технологий того времени. Но и без этих концепций технологии развивались, во многом методом проб и ошибок.
Собрав в кучу наблюдения, в конце 16 века учёные «открыли» флогистон — невидимое вещество, обеспечивающее горение. Это объясняло часть существующих знаний, но кое-где обнаруживались нестыковки. Чуть менее чем через сто лет совсем другие ученые открыли кислород, и вскоре сформулировали новую теорию о теплороде, невесомой и невидимой жидкости, которая соединяется с более банальными веществами, и «порождает тепло». Уже были эксперименты, которые намекали на несостоятельность и этой теории. Но до понимания тепла как движения частиц вещества в 18м веке всё же не дошли.
Ирония в том, что неверная теория оказалась люто полезной. Теплород научил людей измерять тепло, объяснил теплоёмкость, дал определение скрытой теплоты, и обосновал калориметрию. Он сработал как строительные леса: начала теплофизики достроили, леса потом развалились, а здание осталось стоять.
Хочешь, я перепишу этот текст с бОльшим количеством лурко-жаргона, чтобы нормисов корёжило?
Телеграм-канал автора будет запущен, возможно, когда-нибудь.
