“Жидкое” тепло (теплород, или как Лавуазье всех достал)

Великим ученым свойственны не только великие открытия, но и великие заблуждения, и это я сейчас без сарказма говорю: чтобы изобрести чрезвычайно правдоподобную, рабочую, но при этом ошибочную теорию, нужно на самом деле очень хорошо разбираться в своем предмете. Именно поэтому у приверженцев, например, гомеопатии нет и шанса для адекватной аргументации своих идей, а вот теория теплорода, несмотря на ошибочность, долгое время признавалась научным сообществом и самое главное – была основой для нескольких важнейших открытий.

Крошка-сын к отцу пришел,
И спросила кроха:
Теплород ведь – хорошо?
Или это плохо?

Представьте, что вы не были прилежным учеником, прогуливали все уроки физики с 8го по 11й класс, а теперь выросли, и ваш ребенок вас спрашивает: «Дорогой родитель, почему батарея теплая?». Вы, конечно, скажете, что по батарее течет горячая вода, которая нагревает ее, а та в свою очередь передает тепло в комнату. Но дети гораздо дотошнее взрослых, и следующим вопросом скорее всего будет: «А как она передает тепло?» или еще хуже «А что такое тепло?».

Правильный ответ на этот вопрос далеко не очевиден даже современным взрослым, а уж в 18-м, начале 19 века, когда молекулярно-кинетическая теория не обладала достаточным математическим обоснованием (на самом деле, тогда еще даже не было подходящего матаппарата, чтобы полностью описать ее), абстрактная идея тепла не давала покоя ученым.

Люди, а особенно ученые, в принципе склонны к конкретике, так что вместо расплывчатой размазни-«теплоты» появился вполне себе логичный «теплотвор» или «теплород» – невидимая, практически невесомая субстанция, содержащаяся во всех веществах и способная передаваться от тела к телу. При этом, на волне хайпа атомизма теплороду приписали еще и корпускулярный состав, мол, это есть ничто иное как крошечные частицы, высвобождающиеся, например, при горении, которые заполняют «поры» в телах, рассеиваясь внутри, и таким образом нагревают их (стоит добавить, что так считали не все, но многие).

Думаю, ваш ребенок был бы вполне доволен таким ответом, ведь на самом деле он звучит потрясающе логично. Довольным осталось и большинство ученых, когда Антуан Лавуазье в 18 веке ввел определение теплорода в качестве отдельной субстанции. Да, вы не ослышались, да, это тот самый Лавуазье, который низверг флогистон. И если вы думаете, что сегодня слышите о нем последний раз, то вы ошибаетесь, ведь этот плодотворный француз успел придумать не одну ошибочную теорию, а целых две! О теории радикалов, царившей в химии, вам еще расскажет наш слегка сумасшедший органик Илья, а мы пока продолжим обсуждать теплород, прочно укрепивший в физике того времени.

Разумеется, вскоре были придуманы всякие уловки для объяснения различных тепловых явлений на основе теории «жидкой теплоты» (ладно, большинство представляли теплород скорее как газ или флюид). Например, быстрый нагрев тел объяснялся притяжением частиц теплорода к атомам вещества, а расширение тел при нагреве считалось следствием активного заполнения «пор» и налипания теплорода вокруг атомов, что увеличивало межатомные расстояния. Кроме того, предполагалось, что частицы теплорода отталкиваются друг от друга (как одинаковые заряды что ли?), а потому стремятся от горячего к холодному, туда, где побольше привлекательных свободных атомов и поменьше конкурентов – “теплородинок”, тем самым сглаживая разницу температур. В общем, грамотно притянули, красиво склеили – вуаля! А если серьезно, теория теплорода выглядела очень даже обоснованно, интуитивно понятно, но что самое важное – она появилась очень вовремя.

Почему теплород – это хорошо.

Эпоха промышленной революции не просто так иногда зовется эпохой пара: паровые двигатели стали настоящим символом технического прогресса того времени. Так вот, Лавуазье со своими тепловыми изысками был нужен как никогда, чтобы, опираясь хоть на какую-то цельную и внятную теорию, можно было изучать новый источник энергии.

Во-первых, получилось удобное разъяснение идеи теплового равновесия. Если оставить теплый кофе на улице вечером, то он остынет, а его температура станет равна температуре окружающего воздуха. Если два одинаковых металлических бруска разной температуры привести в соприкосновение, их конечная температура будет примерно равна среднему арифметическому начальных значений (эт я грубо сейчас говорю, конечно, но суть понятна). Почему так? Все просто, ведь теплород в силу своей непреодолимой тяги к атомам вещества и отталкивания от себе подобных частиц, растекался максимально равномерно между телами и внутри них, достигая равновесия между силами притяжения и отталкивания.

Во-вторых, благодаря идее теплового флюида (и, конечно, заслугам химика Николя Клемана) наконец-то сложилась визуальная картина о таком важном понятии (которое до этого никак не могли четко зафиксировать в науке), как «количество теплоты», ну или как тогда считали «количестве теплорода». Мы все на уровне бытовой интуиции мы понимаем, что, например, чтобы нагреть до одинаковой температуры таз воды надо больше времени, чем чтобы нагреть кастрюлю. А теория теплорода подсказывает: все дело в концентрации теплорода в веществе. Конечно, чтобы она была одинаковой у тел разного объема, его потребуется разное количество. В общем, льем наш тепловой флюид в тело, пока не достигнем нужной температуры.

В-третьих, то, что большинством ученых теплород принимался за субстанцию, состоящую из частиц, позволяло применить к нему один из любимейших законов всех ученых: закон сохранения. Это было очень хорошо, прямо бальзам на сердца физиков. Если постулировать, что теплород, как и остальная материя, не может быть создан из ничего и исчезнуть в никуда, мы уже имеем красивое уравнение для описания любого теплового процесса. Количество теплорода «до» равняется количеству теплорода «после», а если вдруг не равняется – ищите, куда он мог сбежать. И самое главное – этот подход работал (ладно, не всегда).

Ну и вишенкой на торте стала триумфальная роль теплорода в термодинамике – еще совсем зеленой науке о тепловом движении. Молодой ученый Сади Карно, принимая теорию теплорода за основу*, ввел понятие о «потоке теплоты» как о силе, способной создавать механическое движение. Он сравнивал тепловой поток со столбом воды, падающим с высоты и раскручивающим водяную мельницу, и считал, что по этой аналогии и извлекается энергия из паровых двигателей. Таким образом, Карно выстроил первый теоретический принцип устройства всех тепловых машин (который до сих пор проходится в школах и университетах). Это однозначно был успех!

В общем, я надеюсь, всех этих хвалебных аргументов достаточно, чтобы понять, почему теория была так популярна. Думаю, если с серьезным лицом начать втирать это нынешнему школьнику, он вполне может уверовать в сие учение. Но, как говорят, чем выше забрался, тем больнее падать, и пик славы идеи теплорода стал началом ее конца.

А теперь почему, теплород — это все-таки плохо.

Не буду рассказывать про тех несогласных с Лавуазье (сюда, по-хорошему, надо записать и Ньютона с Галилеем, и Локка, и даже Платона…), которые не проявляли активности в борьбе с ошибочной теорией. В этом акте на сцене будет два главных героя** и имя первого из них – Бенджамин Томпсон, граф Румфорд, американский эмигрант и военный советник курфюрста Баварии, который своими экспериментами смог впервые наглядно показать нестыковки теории теплорода.

Аргумент первый (разминка): что там с массой?

Принимая теплород за субстанцию, можно справедливо предположить, что он должен иметь вес. Правда, в 18-19 вв, это не было жестким требованием (видимо, невесомые частицы были для того времени нормой), но проверить не мешало бы. Пускай масса частиц теплорода крайне мала, зато мы можем бахнуть его ооочень много, и попробовать зафиксировать разницу в весе, что Томпсон и сделал. Разумеется, эксперименты ничего не обнаружили, однако критика этого опыта сводилась к тому, что если теплород и имеет массу, то настолько легок, что обычными приборами разницу в весе увидеть невозможно.

Аргумент второй (коронный): нарушаем законы сохранения.

Помимо того, что Томпсон на досуге увлекался тепловыми явлениями, он управлял национальным арсеналом Баварии, где обнаружил, что при высверливании каналов в пушечных стволах инструментом, напоминающим огромную буровую головку, создается трение, которое производит огромное количество теплоты. Чтобы изучить этот эффект, Томпсон погрузил пушечный ствол под воду и приступил к высверливанию канала. Через два с половиной часа выделилось столько теплоты, что вода закипела.

В чем проблема? Да нет проблем, разве что мы только что открыли бесконечный источник теплорода, который по утверждениям невозможно создать из ничего. В статье, представленной на рассмотрение ведущей научной организации Британии, Королевскому обществу, Томпсон утверждал, что теория теплорода объясняет, почему теплота выделяется при горении, но ничего не говорит о трении. Иными словами, складывалось впечатление, что трение создает теплоту, а не освобождает ее, что шло вразрез с идеей о том, что теплота – неразрушимая субстанция.

Аргумент третий (похоронный): помощь Зевса

Очень большой проблемой оппозиционеров теплорода было отсутствие качественно проработанной альтернативы, ведь несмотря на большое число сторонников молекулярно-кинетической теории, вопросов к ней было чуть ли не больше, чем к теплороду: она все еще была слишком сырой с точки зрения математики. Плюс, эксперимент с трением не показывал одной важной связки: как соотносятся между собой механическая работа и тепло? Так что эксперименты Томпсона хотя и обсуждались, но не стали решающими в этом научном споре. И только спустя почти 50 лет, после введения грамотного определения энергии, работы и теплоты появилось финальное доказательство ошибочности теории теплорода.

Примерно в 1840 году, сидя в лаборатории, устроенной в доме родителей, наш второй герой – Джеймс Джоуль – физик энтузиаст, конструировал батареи, электромагниты и двигатели, чтобы изучать их работу. Одно из первых его наблюдений стало самым важным. Он заметил, что при прохождении электрического тока провод нагревается. Иными словами, электричество могло не только питать двигатель, но и давать теплоту.

Способность электричества создавать теплоту подкрепила общие сомнения в теории теплорода, которая гласила, что теплоту невозможно ни создать, ни уничтожить. А вскоре Клаузиусом и Больцманом была наконец-то доработана долгожданная молекулярно-кинетическая теория, считающаяся общепринятой на сегодняшний день.

Так что, если сегодня ребенок (не обязательно ваш) спросит вас, что такое тепло, вы гордо и без к̶о̶л̶е̶б̶а̶н̶и̶й̶ ̶раздумий ответите, что “теплота – это механические колебания атомов и молекул в твёрдых телах и жидкостях”, что на самом деле, по своей сути – это просто очередная форма энергии, и никакой “тепловой субстанции” придумывать не нужно.

Вместо заключения.

В общем, теплород, не выглядел совсем уж кривым костылем по сравнению с несчастным флогистоном, потому что долгое время вполне сносно работал в ему отведенных рамках. А в качестве напоминания о “жидком тепле”, мы до сих пор пользуемся выражением Сади Карно и Фурье о «потоке теплоты».

P.S. Есть небольшая доля иронии в том, что Томпсон – главный критик
теории теплорода, женился на Марии-Анне Лавуазье, вдове нашего злосчастного химика и автора этой самой теории. Нужно отметить, что граф не выдержал свободолюбивого нрава женщины своего противника, и брак продлился совсем недолго.

*Очень хочется воткнуть одну важную ремарку: дело в том, что Сади Карно, в своих черновиках уже отказался от идеи теплорода, и даже называл его другим словом, более близким к понятию теплоты. К сожалению, он умер в сумасшедшем доме от эпидемии холеры в возрасте 36 лет и не успел доработать свои идеи.

** Ярым сторонником и практически основоположником противоположной – корпускулярно-волновой теории – был Михаил Ломоносов. Однако, его критика теплорода была лишь теоретическим доказательством от противного, так что эксперименты Томпсона являлись аргументом гораздо более весомым. Но Михаила Васильевича тож не забудем, он был очень яркой фигурой в научных спорах об этих двух теориях.

Источники: “Холодильник Эйнштейна” Пол Сен