Теория теплоты

Человечество уже несколько тысячелетий задаётся вопросом - что же такое тепло (теплота)?

История развития теорий теплоты

Тепловых теорий в истории человечества было предостаточно:

• Теория флогистона Георга Шталя, причём флогистон претерпевал изменения от угля до водорода.
• Теория теплорода Антуана де Лавуазье, согласно которой теплота - это некий магматический газ
• Механистическая теория теплоты, нашедшая своё развитие в молекулярно-кинетической теории, согласно которой теплота - это механические колебания атомов и молекул в твёрдых телах и жидкостях, и - поступательное и вращательные движения газовых молекул - в газах.

Теория флогистона

Флогистон - от греч. φλογιστός — сожженный, горючий, воспламеняемый.

Согласно представлениям профессора медицины XVIII века Георга Эрнста Шталя (1659-1734), ученика придворного медика Иоганна Иоахима Бехера (1635-1682), флогистон был некоей сверхтонкой материей, огненной субстанцией, входящей в состав горючих тел и высвобождающаяся из них при горении.

Еще в 1669 году была издана книга Иоганна Бехера под названием "Подземная физика" (Physicæ subterraneæ), в которой было высказано предположение, горючесть тел обусловлена наличием в их составе жирной "земли" (terra pinguis). Также в состав минеральных тел, по И.Бехеру, входили стеклующаяся земля (terra lapidæ) и ртутная, летучая (terra fluida s. mercurialis). Полное название книги И.Бехера - "Actorum laboratorii chymici Monacensis, seu Physicæ subterraneæ libri duo, quorum prior profundam subterraneorum genesin, necnon admirandam globi terr-aque-aërei super et subterranei fabricam: posterior, specialem subterraneorum naturam, resolutionem in partes partiumque proprietates exponit ..."

Основываясь на представлениях своего учителя, Георг Шталь полагал, что вообще все горючие тела, как органические, так и металлы, претерпевают под влиянием огня одно и то же превращение, обусловленное присутствием в них одной общей составной части - флогистона, который выделяется при горении. Чем сильнее и продолжительнее горит какое-нибудь тело, тем больше в нем содержится флогистона. Фосфор, сера, уголь, спирт, сахар, масла особенно богаты флогистоном. Металлы тоже содержат его, но в незначительных количествах. При сильном нагревании в присутствии воздуха флогистон может быть удален из металлов, оставляя землеобразные тела - "известки".

Таким образом, удаление флогистона, то есть горение, позволяет открыть другую составную часть данного тела. Для угля, т.е. тела, состоящего почти из чистого флогистона, это вещество – зола. Для фосфора и серы это кислоты, для металлов – "известки". Хотя составные части, остающиеся после сгорания, существенно отличались друг от друга, Шталь никак не объяснял причин этого, зато он был убеждён в единстве флогистона.

Теория флогистона основывалась на экспериментальных фактах. Так, при прокаливании "королька" свинца (чистого Pb), то есть, согласно взглядам тех лет, при удалении из него флогистона, образуется "известка" свинца (PbO). А нагревая эту "извёстку" вместе с "богатыми флогистоном" углем, серой, сахаром или даже железом, можно вновь получить исходный "королек" свинца. Это являлось "неопровержимым" доказательством того, что во всех случаях к "известке" присоединяется одна и та же сущность – флогистон.

Примерно таких же взглядов придерживался и известный английский естествоиспытатель Роберт Бойль (1627-1691). Однажды он провёл следующий опыт: нагревал в течение 2 часов 1 унцию свинца в запаянной реторте и, отломав затем ее запаянный конец, наблюдал:

1) что воздух в реторту ворвался с шумом, а это является верным признаком того, что реторта уцелела («Sigillato retortae apice fracto, aer externus cum strepttu in eam irruit (indicio sane, vas omnino fuisse integrum)»

2) и что вес сосуда увеличился на шесть гранов, хотя сгорел не весь свинец.

Из этого опыта Бойль сделал вывод, что горение сопровождается соединением горящего тела с некоей "материей огня".

Существование флогистона казалось настолько доказанным, что никто не сомневался в нем и никто не находил нужным попытаться выделить его в свободном состоянии. Шталь полагал, что в чистом виде флогистон является твердым "землистым" веществом, нерастворимым в воде, подобно углю, сере, фосфору, металлам. ОН основывался на тех фактах, что все "богатые флогистоном" тела нерастворимы в воде, а те же тела, лишенные флогистона, в виде серной и фосфорной кислот или в виде некоторых окислов, хорошо в ней растворимы. Таким образом, большая или меньшая растворимость тел связывалась теорией с присутствием в них различного запаса флогистона.

Теория флогистона нашла широкое распространение. Считалось, что флогистон влияет на все свойства тел, что отсутствие или присутствие его обусловливают их различную стойкость, их способность к взаимному соединению, кислые или щелочные свойства, цвет, запах, вкус и даже то или другое терапевтическое действие на организм. С помощью флогистона были "научно" объяснены явления брожения, разрушения и роста растений и различные явления животной жизни.

Вера в флогистон дошла до того, что когда в 1783 во Франции был издан трактат Антуана де Лавуазье «Réflexions sur le phlogistique», в котором содержалась критика флогистона, в Берлине Лавуазье был предан сожжению in effigie (то есть символическому сожжению), как еретик науки.

Взгляды Джеймса Уатта

Весьма показательны взгляды на природу тепла Джеймса Уатта.

В апреле 1783 года Пристли опубликовал работу, в которой объявил о важном результате своих экспериментов. Вес воды, образующейся при взрыве смеси кислорода и водорода, был точно равен сумме весов этих двух газов, полностью исчезающих при этой реакции. Пристли также сообщил о своих наблюдениях жившему с ним по-соседству Джеймсу Уатту. Уатт ответил немедленно в письме от 26 апреля:

«Давайте теперь рассмотрим, что же происходит при соединении горючего (водород) и дефлогистированного, т.е. лишенного флогистона воздуха (кислород). Эти два вида воздуха объединяются с усилием; они раскаляются докрасна и полностью исчезают после охлаждения. После охлаждения сосуда количество воды в нем оказалось равным весу используемого воздуха. Эта вода – единственный продукт, остающийся после процесса; а все продукты – вода, свет и тепло. Разве мы не можем утверждать, что вода состоит из лишенного флогистона воздуха (кислорода) и флогистона (водорода), лишенных части элементов их скрытой [латентной] теплоты. Или что дефлогистированный или чистый воздух (кислород) состоит из воды, лишенной флогистона (водорода), соединённой с элементами тепла и света. Эти элементы содержатся в воде в скрытом [латентном] состоянии, поэтому они не улавливаются термометром или глазом. И если учесть, что свет - это только лишь модификация теплоты, или составная часть горючего воздуха (водорода), то, следовательно, чистый или дефлогистированный воздух (кислород) состоит из лишенной флогистона (водорода) воды, соединенной с элементами тепла.»

Из этих строк видно, что Джеймс Уатт вообще считал, что флогистон - это водород. Но при этом дал совершенно правильную оценку: "свет - это только лишь модификация теплоты".

Теория теплорода

Отцом незаслуженно отвергнутой теории теплорода был великий французский естествоиспытатель Антуан Лоран де Лавуазье (1743-1794). Самым важным следует считать тот факт, что теория теплорода была основана исключительно на экспериментальном фундаменте.

Так, еще в 1770 году в своей работе "О природе воды и об опытах, которыми предполагалось доказать возможность ее превращения в землю", Лавуазье прямыми взвешиваниями запаянного сосуда с водой до и после его нагревания показал, что "материя огня", проникшая в сосуд, не увеличила его веса, что уже ставило большой вопрос перед флогистоном, который в то время ассоциировался с углем.

1 ноября 1772 года Лавуазье направил в Парижскую академию наук письмо, в котором сообщил о результатах своих новых экспериментов. В частности, о том, что вес образовавшейся серной кислоты больше, чем вес серы, что то же самое наблюдается и для фосфора. Лавуазье объяснил это увеличение веса при горении соединением с парами этих тел громадного количества воздуха. Кроме того, он "убедился, что прирост в весе металлических известок обусловлен той же причиной". Это письмо было вскрыто секретарем Парижской академии только 5 мая 1773 года.

В 1774 году в Парижской академии наук был зачитан "Мемуар об образовании известки олова в герметически закупоренных сосудах и о причинах увеличения веса металла при этой операции". Основные выводы Лавуазье были таковы:

1) можно превратить в "известку" в определенном количестве воздуха только определенное количество олова;

2) это количество больше в большом сосуде, но еще нельзя утверждать, чтобы оно было прямо пропорционально объему сосуда

Дело в том, что в одном опыте Лавуазье олово поглотило, окисляясь, 1/5 объема воздуха (что довольно точно соответствует процентному% содержанию кислорода в воздухе), а в другом между 1/8 и 1/9. Скорее всего, при запайке реторты осталась микроскопическое отверстие.

3) вес герметически запаянных сосудов с оловом не меняется при превращении олова в "известку"; это, очевидно, указывает на то, что привес металла происходит не на счет материи огня, ни вообще на счет какой-либо материи, бывшей вне сосуда;

4) при образовании "известки" олова привес металла достаточно точно отвечает весу поглощенного воздуха; это доказывает, что часть воздуха, соединяющаяся с металлом, почти одинакового удельного веса с атмосферным воздухом.

Лавуазье также заявил: "Я мог бы прибавить, что вследствие особых соображений, явившихся у меня на основании опытов прокаливания металлов в запаянных сосудах,... я склонен думать, что часть воздуха, соединяющаяся с металлами, несколько удельно тяжелее атмосферного воздуха... это же заставляет меня подозревать, что воздух не представляет однородной сущности, а что он составлен из очень различных веществ..." И действительно, сейчас нам известно, что воздух состоит виз многих различных газов, основными из которых являются кислород и азот, что в результате прокаливания металлов происходит их активное окисление - то есть металлы соединяются с кислородом, содержащимся в воздухе, и что кислород действительно имеет больший удельный вес, чем основной компонент воздуха - азот.

Все эти опыты, а также открытие водорода и кислорода, и привели Антуана де Лавуазье к критике флогистона в трактате "Réflexions sur le phlogistique". Подвергнув резкой критике теорию флогистона, Лавуазье сделал попытку объяснить тепловые и световые явления присутствием в телах некоего магматического газа, fluide igne, который обладал следующими свойствами - был невесом, прозрачен, не имел запаха, легко проникал сквозь стенки сосудов, проникал в поры тел, расширяя их.

Самое интересное заключается в том, что Лавуазье и тут оказался прав! К сожалению, в годы жизни Лавуазье человечество еще абсолютно ничего не знало о природе электричества и магнетизма. Почти 40 лет оставалось до знамениторго опыта Эрстеда и почти столетие - до гениального прозрения Максвелла, что свет есть электромагнитные волны. Вспомним слова Джеймса Уатта - что свет есть разновидность тепла. И получается, что этот самый fluide igne, магматический газ Лавуазье, впоследствии названный теплородом (le calorique) - и есть самое что ни на есть обычное тепловое электромагнитное излучение - невесомое, прозрачное, без запаха, легко проникающее сквозь стенки сосудов и приводящее к расширению тел при возбуждении их атомов и молекул.

Забавно, но жестокие баталии по поводу флогистона и теплорода среди физиков прошли мимо "лириков" стороной. Так, например, в Толковом словаре русского языка под редакцией Д.Н.Ушакова – "…лучшем толковом словаре русского языка советской эпохи, в авторский состав коллектива которого вошли такие филологи отечественного языкознания, как Д.Н.Ушаков, В.В.Виноградов, С.И.Ожегов, Г.О.Винокур, Б.А.Ларин и Б.В.Томашевский, говорится:

«ФЛОГИСТОН, флогистона, мн. нет, м. (от греч. phlogistos – горючий) (хим. истор.). Тоже, что теплород.»

«ТЕПЛОРОД, теплорода, мн. нет, м. (хим. истор.). В гипотезах старой науки – особого рода невесомое вещество, рождающее тепло; то же, что флогистон.»

То есть авторский коллектив виднейших филологов не видел никакой разницы между флогистоном и теплородом.

Молекулярно-кинетическая теория (механистическая теория теплоты)

Механистическая теория теплоты тоже имеет давние-давние корни. По сути, механистическая теория теплоты почти что ровесница флогистона. Еще Михаил Васильевич Ломоносов в 1744 году в своём трактате "Размышления о причине теплоты и холода" высказал предположение, что теплота — это не некий газ (флюид), а результат движения корпускул (молекул), которое прекращается лишь при достижении "низшего градуса холода".

Современные представления

Современные официальные представления о том, чем является теплота, до сих пор соответствуют взглядам XVIII - XIX века, то есть взглядам механистической теории теплоты. Несмотря на то, что даже в школьных учебниках пишут, что теплота может передаваться путём теплообмена, конвекцией и излучением, несмотря на то, что все 100% солнечной энергии, на использовании которой, в конечном счёте, и держится вся человеческая цивилизация, передаются на Землю в виде инфракрасного, светового, ультрафиолетового и рентгеновского электромагнитного излучения, этот факт не нашел никакого отклика ни в физической кинетике, ни в современной статистической физике.