В XVIII веке считалось, что одно тело теплее другого потому, что содержит больше теплорода – невесомого вещества, создающего ощущение тепла. Также считалось, что теплород нельзя ни создать, ни уничтожить: он только переходит от одних тел к другим, вызывая охлаждение первых и нагревание вторых. Однако в 1798 г. министр Баварии граф Б.Румфорд провёл знаменитый опыт, оставивший теорию теплорода лишь в пыли библиотек.
В те времена пушки изготавливали так. Из расплавленного металла отливали пушечные стволы, не оставляя внутри них канала для ядер. Его делали позже огромными сверлильными станками, приводившимися в движение лошадьми (см. рисунок). Румфорд заметил, что во время сверления стволы очень сильно нагреваются. Он предположил, что причина нагревания – трение сверла о пушечный ствол, то есть совершение механической работы.
Для проверки гипотезы (предположения) Румфорда было решено увеличить силу трения. Для этого взяли тупое сверло, а пушечный ствол поместили в бочку с водой. Спустя два с половиной часа, к изумлению свидетелей этого грандиозного опыта, вода закипела!
 |
Из опыта Румфорда следовало по крайней мере два вывода. Либо теплород можно «изготавливать» в неограниченных количествах (и тогда это приведёт к переделке всей теории теплорода), либо нагревание тел объясняется не теплородом, и его не существует вообще. Дальнейшее развитие науки подтвердило правильность именно второго вывода – при совершении работы силой трения возникает некоторое количество теплоты.
К концу XVIII века учёные научились измерять и работу, и количество теплоты. Поэтому возникало много вопросов. Если сила трения будет совершать 1 Дж работы над различными веществами (сталью, медью, водой и так далее), то одинаковое ли количество теплоты выделится при этом? Если одинаковое – то сколько именно? Если разное, то от каких причин зависит выделение тепла? Были и многие другие вопросы. Поэтому для дальнейшего развития теории тепловых явлений потребовались новые экспериментальные данные.
 |
Спустя полвека, в 1850 г. манчестерский пивовар Д.Джоуль дал ответы на все вопросы. Его экспериментальной установкой стал калориметр с погружённой в него мешалкой, которая приводилась во вращение опускавшейся гирей (см. рисунок). Трение лопастей мешалки о воду или ртуть, которыми заполнялся калориметр, приводило к их нагреванию. Это измеряли термометром.
Сила тяжести, опуская гирю, совершала работу A = F · l = mg · h. Возникавшее при трении количество теплоты подсчитывали по основной калориметрической формуле Q=cmΔt°.
Джоуль многократно повторял этот опыт при различных условиях: менял количество воды, заменял её ртутью и другими веществами, менял массу гири, высоту её поднятия и так далее. Однако вывод был всегда тот же: совершение силой трения скольжения 1 Дж механической работы приводит к возникновению теплоты в количестве 1 Дж. Этот неоспоримый факт стал экспериментальным подтверждением закона сохранения энергии.
Закон сохранения энергии лёг в основу термодинамики – новой для того времени теории тепловых явлений. С тех пор она существенно расширилась и превратилась в теорию о взаимопревращениях работы и энергии: тепловой, химической, электрической, атомной (ядерной) и так далее. В таком виде термодинамика существует и по сей день.