Температура - Смородинский Я.А.
Скачать (прямая ссылка):
протекать по-разному; маятник может качаться в разных плоскостях, колесо
можно вращать в любую сторону. С теплотой дело обстоит по-другому:
горячий чайник остывает в комнате сам по себе, ко сам по себе он не может
нагреться; чтобы охладить холодильник, надо совершить работу. Можно
нагреть комнату электрическим камином, нельзя нагреть камин только за
счет охлаждения комнаты.
Тепло течет всегда так, чтобы температуры выравнивались, чтобы система
переходила в состояние теплового равновесия. Переход в состояние
теплового равновесия может быть сложным и достаточно долгим процессом.
Мы говорим, что сосуд термоизолнрован, когда поток тепла сведен к
минимуму (так устроен термос). Бывают и более хитрые случаи. В нагретой
плазме температура электронов может отличаться от температуры ионов - это
как бы смесь газов разной температуры, -¦ температура между ними
выравнивается сравнительно медленно. Так что в плазме в одном месте могут
быть две температуры. Каждая из систем - электроны и ионы - находится в
тепловом равновесии: электроны - между собою, ионы - между собою. Поток
же тепла между ионами и электронами затухает медленно. Мы встретимся с
такими потоками, когда будем говорить о Вселенной или о магнитном
охлаждении кристаллов.
Сейчас мы подчеркнем еще раз: в природе соприкасающиеся тела стремятся
выравнять свои температуры. Если в систему не поступает энергия в виде
тепла или в другой форме, то система переходит в состояние теплового
равновесия, в котором потоки тепла в конце концов исчезают.
20
ТЕПЛОТА И ХОЛОД
О том, что такое тепло, издавна существовали разные мнения. В 1620 г.
Фрэнсис Бэкон, систематизируя данные об источниках тепла и холода,
собирал их в таблицы. В этих таблицах можно было найти молнии и зарницы,
пламя и болотные огни. Здесь же были ароматические травы, которые при
внутреннем употреблении дают ощущение тепла. Из всего этого Бэкон каким-
то образом делает вывод, что теплота есть "расширяющееся движение...". В
1658 г. вышли в свет сочинения Пьетро Гассенди. По его мнению, тепло и
холод - это разные материи. Атомы холода острые (они имеют форму
тетраэдров), проникая в жидкость, они скрепляют ее.
Представление об атомах трудно проникало в физику. Более понятной
казалась теория теплорода, приписывающая теплу свойство жидкости,
перетекающей из одного тела в другое. Теплород был сродни флогистону,
гипотетической субстанции, связанной с огнем, - иногда их даже путали.
Теплород, казалось, хорошо объяснял свойства тепла. Химики объясняли
горение и окисление выделением теплорода. Теория теплорода завоевала
широкое признание в последней четверти XVIII века. Один из
естествоиспытателей того времени писал: "...свету, приписали два
свойства: способность светить и способность нагревать. Те, которые
считали свет колебанием эфира, полагали, что и теплота состоит из
подобных же колебаний и движений, производимых эфиром в частицах тела. Но
в новейшее время теплоту отделили от света и уже не считают
непосредственным действием последнего".
Теория теплорода (мы бы говорили, модель теплорода) объясняла очень
многое. Теория теплового двигателя, построенного Карно, была основана на
модели теплорода. Однако эта модель не выдерживала испытания, когда дело
касалось закона сохранения.
Если бы тепло было какой-то жидкостью, то она, протекая, сохранялась бы:
ее количество не должно было изменяться. Так и считали: сколько тепла
забрали от нагревателя, столько получил и холодильник.
На первый взгляд так оно и есть: охлаждается чайник, нагревается воздух.
Но часто бывает совсем не так.
Первым, кто обратил на это внимание, был Бенджамен Томсон (ставший
впоследствии графом Румфордом). Он
21
наблюдал за тем, как в Мюнхенском военном цейхгаузе сверлят стволы пушек.
Раньше никто серьезно не задумывался, почему нагревается ствол. Румфорд
же задал себе этот вопрос и не нашел ответа. Единственное решение могло
бы состоять в том, что в стружках содержится меньше теплорода, чем в
сплошной отливке, и избыток его и выделяется при сверлении. Но тогда
стружку было бы легче нагреть, чем сплошной металл, у стружек должна была
быть меньше теплоемкость, чем у сплошного металла, но это решительно
противоречило опыту.
Еще большая неприятность заключалась в том, что затупленные сверла
"порождали" больше тепла, чем хорошо заточенные. Непонятным образом
сверлением можно было добыть неограниченное количество тепла. Все это
никак не укладывалось в простую модель перетекающего с места на место
теплорода. Чаша весов склонялась к тому, чтобы связать природу теплоты с
движением. К сожалению, точность опытов была в конце XVIII века еще очень
мала, и, хотя Румфорда поддержали Дэви и Юнг, которые также говорили о
роли колебаний и вращений молекул в любых веществах, вся эта история мало
кого разубедила.
Но теория остается бесплодной, пока гипотезы остаются слозами и их смысл
не переводится на язык цифр и формул. Связь энергии с теплотой была
