Что такое тепло и откуда оно берётся? Над этим вопросом человечество задумалось относительно недавно, всего несколько столетий назад. Многие тысячи лет в сознании первобытного человека понятия «источник тепла» и само «тепло» были неотделимы. Рассмотрим горящий костёр, он горел – было тепло, он угасал – тепло исчезало. Но подобное объяснение вызывало другие вопросы и даже противоречия. Например, котёл с едой и после угасания костра долго оставался горячим, то есть был источником тепла, но никакого огня не было. Как объяснить это? В попытках понять эти процессы рождались интересные теории. Начиная с XVII века, существовали две теории происхождения тепла, и между ними шла нешуточная борьба, которая длилась более двухсот лет и закончилась только в середине XX столетия.

Первая теория (вернее, гипотеза) состояла в том, что тепло или теплота – это особое вещество, способное проникать в любое тело. Это вещество называли «теплородом» и считали его невесомым и рассеянным по всей материи, способным «сочетаться» с телами и превращать твёрдые тела в жидкие, а жидкие – в газообразные. Подразумевалось, что чем больше теплорода в теле, тем выше его температура. Мысль о том, что теплота – это вещество, которое не порождается и не уничтожается, а только перераспределяется между телами, высказал ещё в 1613 году великий Галилей.

Учёные того времени, доказывая существование теплорода, опирались на факты, полученные опытным путём. Так, они брали два тела – холодное и горячее, и наблюдали, что при их контакте горячее тело охлаждается, а холодное – нагревается. Действительно, всё выглядело так, как будто бы нечто переливается из более тёплого тела в более холодное.

Считалось, что всякое тело состоит как бы из двух веществ — вещества самого тела (вода, медь, железо, стекло) и теплорода. В то время даже писались равенства такого типа:

Противники теории теплорода опровергали её путём других опытов. Всем известно, что при нагревании тело увеличивается в объёме, то есть расширяется. Сторонники теории утверждали, что это происходит за счёт появления теплорода в нагретом теле. Противники же приводили в пример воду, которая при замерзании вела себя иначе. Вода, как вы знаете, при охлаждении расширяется (попробуйте налить полную бутылку тёплой воды и поставить в морозилку), хотя по логике, при охлаждении из неё должен «выйти» теплород и замёрзшая вода должна занять меньший объём.

Таким образом, появилась другая теория (гипотеза), предложенная в начале XVII века английским учёным Фрэнсисом Бэконом. Согласно этой теории, теплота — это движение малых частиц (молекул, атомов) внутри тела. Эта гипотеза также основывалась на опытных наблюдениях, показывающих, что нагревание можно вызвать движением. Например, учёные обратили внимание на то, что было давно известно любому кузнецу: под ударами молота холодный кусок железа становится горячим. 

Помимо этого, издревле известен способ получения огня трением. Опыты, показавшие, что два куска льда или жира, или воска можно расплавить простым трением друг о друга, без соприкосновения с каким-либо более нагретым телом, поставили под сомнение существование теплорода. Выходило так, что ударами и трением можно самому произвести теплоту, не получая её от другого источника. Такие взгляды на природу теплоты получили название механической теории теплоты. У этой теории было много знаменитых сторонников – Декарт, Бойль, Гук, Ломоносов.

В 1760 году английский физик и врач Джозеф Блэк провёл другой опыт: одно и то же количество теплоты он подводил к равным массам различных веществ и обнаружил, что тела нагревались по-разному. Теплорода он не обнаружил, но благодаря Блэку и этим опытам мы теперь знаем, что у разных веществ – различная теплоёмкость, и теплород здесь не при чём.

Обе теории, при всём их различии, имели и кое-что общее. И та, и другая считали, что теплота — это нечто, содержащееся в теле. По первой гипотезе, в теле содержится теплород, по второй — частицы с их «живой силой» (так тогда называли кинетическую энергию). Сходились они и в том, что теплота не пропадает и не появляется: если при контакте двух тел одно из них теряет теплоту, то другое получает её, так что потерянное одним телом приобретается другим.

Чем же закончился спор о природе теплоты? Какая из двух гипотез победила? Надо отметить, что опыты и исследования XVIII века решить спора так и не смогли. Нужны были более сложные эксперименты, которые показали бы, что температура тела может повышаться без подвода теплоты, за счёт механической работы. Так, в конце XVIII века ощутимый удар по теплороду нанесли эксперименты американца Бенджамина Томпсона (граф Румфорд).

Как-то Румфорд занимался сверлением пушечных стволов в мастерской и заметил, что температура сверла и пушечного ствола сильно повышается. Тогда Румфорд решил провести опыт: в металлической болванке, помещённой под воду, высверливалось отверстие с помощью тупого сверла, приводимого в движение силой двух лошадей. Спустя два с половиной часа вода закипела. «Изумление окружающих, увидевших, что такая масса воды закипает без огня, было неописуемо» — вспоминал Румфорд. Из своих опытов он сделал вывод, что никакого теплорода не существует, а причина теплоты заключается в движении.

Таким образом, знаменитые учёные того времени путём остроумных опытов смогли опровергнуть теорию теплорода, доказав, что теплота невесома и её можно получать в любых количествах просто за счёт механического движения, другими словами, совершая работу. Кроме того, к середине XIX столетия атомистика (философское учение о прерывистом строении материи и малых частицах – молекулах и атомах) так шагнула вперёд, что физики, опираясь на неё, смогли объяснить суть и природу теплоты.

В результате учёные пришли к выводу:

1. Теплорода не существует.
2. Теплота связана с движением частиц внутри тел. 

Известно, что все тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном движении. А значит, эти молекулы обладают кинетической энергией. Кроме того, в твёрдых телах и жидкостях каждая молекула обладает так же и потенциальной энергией, так как связана с окружающими молекулами силами взаимодействия.

Итак: то, что «содержится» внутри тела, — это не теплота, а внутренняя энергия тела (то есть сумма кинетической энергии всех молекул и атомов тела и потенциальной энергии их взаимодействия).

Теплота же — это часть внутренней энергии тела, передаваемая (например, при контакте) другому телу или телам. 

Каждый из вас, сам того не осознавая, часто становился источником теплоты, вернее её «производителем».

Когда вы занимаетесь спортом, активно двигаетесь, бегаете, катаетесь на велосипеде, то вам становится жарко, может покраснеть лицо, слегка подняться температура, вы начинаете потеть. Это происходит отнюдь не потому, что какой-то теплород начал вливаться в ваше тело, а просто потому, что ваш организм совершает работу, и молекулы, из которых состоит тело, начинают двигаться быстрее. Повышается внутренняя энергия вашего тела.

Незаметно мы подошли к понятию внутренняя энергия тела – одному из важнейших понятий большого раздела физики, который называется термодинамика.

Что такое внутренняя энергия тела, как она изменяется, и каким образом можно использовать эти изменения в повседневной жизни, мы расскажем вам в следующей статье.