Парадокс в физике. Теплота. ч.1
«Сегодня правильные представления о теплоте дети усваивают уже в седьмом классе».
(Из сборника «Шутки больших учёных»)
В неодушевлённом веществе, которое подвержено действию только физических и химических законов, вопросы с калориями должны быть совершенно прозрачны? Речь ведь идёт не о тех явлениях, которые обнаруживаются на ускорителях и коллайдерах. Речь идёт о явлениях, которые любой желающий может воспроизвести у себя на кухне. Казалось бы, колоссальный практический опыт должен был отлиться в совершенно ясные представления о теплоте.
Но мы расскажем, во что этот опыт отлился на самом деле.
Ещё античные философы в вопросе о природе теплоты делились на два лагеря. Одни полагали, что теплота – это самостоятельная субстанция; чем её больше в теле, тем оно теплее. Другие полагали, что теплота – это проявление некоторого свойства, присущего веществу.
В средние века доминировала первая из этих концепций, что легко объяснимо. Представления о строении вещества на атомарном и молекулярном уровнях были тогда совершенно неразвиты – и поэтому было загадкой то свойство вещества, которое могло бы отвечать за теплоту. Философы, в подавляющем большинстве своём, не заморачивались в попытках отыскать это загадочное свойство – а, ведомые стадным инстинктом, придерживались удобной концепции о теплоте, как о «теплотворной материи».
Ох, как же цепко они её придерживались – до судорог в хватательных мышцах. Вникайте: теплотворная материя, как бы, передаётся от горячих тел к холодным при их контакте. Чем больше теплотворной материи в теле, тем выше температура тела. А что такое температура? А это как раз мера содержания теплотворной материи. Если теплотворная материя передаётся справа налево, то справа температура выше. И наоборот. Если же теплотворная материя не передаётся ни направо, ни налево, то температуры справа и слева одинаковые. Пусть понятия «теплотворная материя» и «температура» получались связаны логическим порочным кругом, зато в остальном всё было изумительно. Можно было даже делать практические выводы: чтобы нагреть тело, нужно добавить в него теплотворной материи – по сравнению с тем, которая у него уже имеется. А для такого добавления требуется более нагретое тело, иначе теплотворная материя не передастся. Блеск! На основе этих представлений делались работающие тепловые машины! Был даже сформулирован принцип неуничтожимости теплотворной материи, т.е., фактически, закон сохранения теплоты!
Конечно, сегодня нам легко рассуждать о наивности этих средневековых закидонов. Сегодня-то мы знаем, что теплота – это одна из форм энергии, а закон сохранения энергии не работает для какой-то одной из её форм - этот закон работает для энергии в целом – с учётом того, что одни формы энергии могут превращаться в другие.
Но в ту эпоху, когда неотъемлемой частью Мироздания считалась теплотворная материя, принцип её неуничтожимости, из-за претензий на Вселенский размах, приводил философов в благоговейный трепет. Для экспериментального подтверждения этого принципа – правда, не во вселенских, а в локальных масштабах – изобрели и ввели в обиход эти коробчонки с двойным дном, называемые калориметрами.
Поразительно: по ходу научно-технического прогресса, от механических секундомеров перешли сначала к кварцевым, а затем и к атомным часам, от землемерных лент перешли к лазерным дальномерам, а затем и к GPS-приёмникам – и только калориметры оказались совершенно незаменимыми в деле прямого определения тепловых эффектов. До сих пор калориметры служат своим пользователям верой и правдой: пользователи в них верят и думают, что с их помощью знают правду.
А в средние века на них молились, берегли их от сглаза, и даже окуривали ладаном – что, впрочем, мало помогало. Вот, смотрите: исследуемый процесс протекал в стаканчике с теплопроводящими стенками, который находился внутри большого стакана, заполненного буферным веществом. Если при исследуемом процессе теплотворная материя выделялась или поглощалась, то температура буферного вещества, соответственно, повышалась или понижалась. Измеряемой величиной в обоих случаях являлась разность температур буферного вещества до и после исследуемого процесса – эта разность определялась с помощью термометра. Вуаля!
Правда, быстро обнаружилось небольшое затруднение. Повторяли измерения при одном и том же исследуемом процессе, но с разными буферными веществами. И оказалось, что разные буферные вещества одинаковые по весу , приобретая одно и то же количество теплотворной материи, нагреваются на разные количества градусов. Недолго думая, тепловых дел мастера ввели в науку ещё одну характеристику веществ – теплоёмкость. Это совсем просто: теплоёмкость больше у того вещества, которое вмещает больше теплотворной материи для того, чтобы, при прочих равных условиях, нагреться на одинаковое количество градусов.
Стойте, стойте! Тогда, чтобы определить тепловой эффект калориметрическим способом, требуется заранее знать теплоёмкость буферного вещества! А откуда это знать? Тепловых дел мастера, не напрягаясь, дали ответ и на этот вопрос. Они быстро смекнули, что их коробчонки являются приборами двойного назначения, которые пригодны для измерения не только тепловых эффектов, но и теплоёмкостей тоже. Ведь если вы измеряете разность температур буферного вещества и знаете количество поглощённой им теплотворной материи, то искомая теплоёмкость – у вас на блюдечке! Так и повелось: тепловые эффекты измеряли на основе знания теплоёмкостей, а теплоёмкости узнавали на основе измерений тепловых эффектов. И если кто-то, не по злому умыслу, а чисто из любознательности, спрашивал: «А что вы измерили сначала – теплоту или теплоёмкость?» - то ему отвечали в таком духе: «Слушай, умник, а что было сначала – курица или яйцо?» - и умник понимал, что не надо задавать дурацкие вопросы.
Короче: если не задавать дурацких вопросов, то всё было распрекрасно в калориметрическом методе, за исключением одного нюанса. Этот метод с самого начала был основан на ключевом постулате о том, что теплотворная материя способна перетекать только от более нагретых тел к менее нагретым. Тогда никто ещё не додумался до простой вещи: если этот ключевой постулат верен, то со временем температуры всех тел выровняются – и, как говорится, аминь. Впрочем, если кто и додумался бы, то ему резонно возразили бы, что Божий замысел не может вмещать такой глупости – и на этом все бы успокоились.
Словом, концепция теплотворной материи в науке уютно пригрелась. Поэтому наш Ломоносов, со своей деревенской простотой, в эту идиллию не вписался. Он ведь не придерживался тех или иных концепций, он их исследовал – и предлагал взамен более адекватные.
В «Размышлениях о причине теплоты и холода» (1744) Ломоносов достаточно ясно сформулировал причину теплоты – которая заключается «во внутреннем движении» частичек тела. Кстати, он сразу же сделал феноменальный вывод: «должна существовать наибольшая и последняя степень холода, состоящая в полном покое частичек». Сегодня используется более высоконаучный термин – «абсолютный нуль температуры», но имя Ломоносова при этом не упоминается. Он ведь имел неосторожность разгромить концепцию теплотворной материи!
Так, он писал, что философы не показали – «чем именно теплотворная материя вдруг загоняется в нагреваемые тела».
«Спрашиваю: каким образом в самую холодную зиму, когда всюду лютый мороз, …порох, зажжённый малейшей внезапно проскочившей искрою, вспыхивает вдруг огромным пламенем. Откуда и в силу какой удивительной способности материя эта собирается в один момент времени?»
Если бы у философов были тогда в ходу методы квантовой механики, они бы придумали какую-нибудь «редукцию тепловой функции». Хотя, при всём «средневековом мракобесии», считалось неприличным так откровенно идиотничать – это стало обычным делом лишь в ХХ веке. Ждать было ещё долго…
А Ломоносов разобрал следующее заблуждение – насчёт весомости «теплотворной материи».
«Философами, а особенно химиками, принимается, что этот блуждающий огонь показывает своё присутствие в телах не только увеличением объёма их, но и увеличением веса. Весьма известный Роберт Бойль… доказал на опыте, что тела увеличиваются в весе при обжигании».
Увы, известный Роберт Бойль начудил: при обжигании металла, на нём образуется окалина, и вес образца увеличивается – но за счёт вещества, присоединённого в результате окислительной реакции.
Ричард Бойль
«Хотя окалины, удалённые из огня, сохраняют приобретённый вес даже на самом лютом морозе, однако они не обнаруживают в себе какого-либо избытка теплоты. Следовательно, при процессе обжигания к телам присоединяется некоторая материя, только не та, которая приписывается собственно огню… Далее, металлические окалины, восстановленные до металлов, теряют приобретённый вес», причём, «восстановление, так же как и прокаливание, производится тем же – даже более сильным – огнём».
Но Ломоносов проделал ещё и контрольные...
«...опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы иссследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропускания внешнего воздуха вес сожженного металла остаётся в одной мере».
По сравнению с этими убийственными доводами, всё учение о теплотворной материи было детским лепетом – это понимали даже подмастерья в химических лабораториях. Но академические мэтры не признавали правоту Ломоносова – они мудро хранили гробовое молчание. «По делу нам возразить нечего, - прикидывали они. – Но не может же такого быть, что мы все дураки, а он один – гений». Причём, эта мысль навязчиво приходила во все академические головы. Хотя академики не сговаривались, внешне это проявлялось как стопудовый мировой заговор. И это всё были честнейшие и благороднейшие люди. Как на подбор – один другого честнее и благороднее. Честный на честном ехал и благородным погонял.
Взять хотя бы Эйлера, который считался другом Ломоносова.
Леонард Эйлер
Когда Парижская Академия наук объявила конкурс на лучшую работу о природе теплоты, то выиграл конкурс и получил премию Эйлер, который в представленной работе писал: «То, что теплота заключается в некотором движении малых частиц тела, теперь уже достаточно ясно» (1752).
Но этот случай с Эйлером был исключением. Остальные «честные и благородные» помалкивали и терпеливо ожидали кончины Ломоносова (1765). И лишь после этого, выждав для верности ещё семь лет, они снова завели свою шарманку про теплотворную материю.
Понимаете, признавать правоту Ломоносова было никак нельзя. Вот если бы он сделал какую-нибудь малость – например, разоблачил заблуждения того же Бойля, и всё – то был бы сейчас в учебниках закон Ломоносова, как есть закон Бойля-Мариотта. А Ломоносов увлёкся и перелопатил всю тогдашнюю науку. Согласитесь, не писать же в учебниках «первый закон Ломоносова», «второй закон Ломоносова», и т.д. – когда счёт идёт на многие десятки! Ученики запутаются! Вот почему свежие экспериментальные факты, которые можно было истолковать в духе теплотворной материи, прошли «на ура».
продолжение во второй части