Физике становится тепло. Лорд Кельвин. Классическая термодинамика - [18]
Потребовалось много времени, прежде чем наука поняла, что тепло на самом деле — это тип энергии и для объяснения связанных с ним явлений не требуется никакого теплорода. Эксперименты, которые ставил с 1843 года английский физик Джеймс Джоуль (1818-1889), означали конец теории теплорода. Однако это понятие оставило в науке очень глубокий след, и сегодня все еще используются термины, ставшие порождением этой теории, - такие как тепловой поток от одного тела к другому, количество теплоты, удельная теплоемкость, скрытая теплота или единица измерения «калория».
В июле 1847 года в Оксфорде прошло собрание Британской ассоциации развития науки. На нем Томсон опять встретился с Фарадеем и познакомился с Джоулем, который вновь представил свои работы. Надо сказать, что Джоуль отличался крайней настойчивостью. Он уже представлял результаты своих экспериментов, начатых в 1838 году, на собрании ассоциации четыре года назад, в Корке. Еще тогда Джоуль уверял, что «в магнитоэлектричестве есть участник, способный посредством простых механических средств разрушать или вырабатывать тепло». Из этого следовало, что возможно «превращение тепла в механическую мощность и наоборот в соответствии с числовыми отношениями», которые Джоуль и определил. Ученый доказал преобразование работы в тепло (но не тепла в работу), однако его наблюдения не встретили отклика.
Два года спустя, на собрании в Кембридже, он сделал вторую попытку. В секции химии Джоуль представил работу, озаглавленную «О механическом эквиваленте теша», где предложил новую оценку этой величины. Но, как и в Корке, эта работа не вызвала никаких обсуждений. На конгрессе в Оксфорде он наконец-то смог привлечь внимание некоторых присутствующих к своим открытиям. В 1885 году Джоуль так вспоминал произошедшее тогда:
«Когда я снова поднял ее [тему механического эквивалента тепла] на конгрессе [в Оксфорде] в 1847 году, ведущий предложил, чтобы я, так как программа заседания очень плотная, не читал свою статью, а ограничился кратким словесным описанием своих экспериментов. Я попытался сделать это, и так как не было приглашения к дискуссии, сообщение прошло бы незамеченным, если бы не один молодой человек, который своими умными замечаниями вызвал оживленный интерес к новой теории. Этим молодым человеком был Уильям Томсон, который [...] сейчас, возможно, является самым большим авторитетом в науке нашего времени».
Через несколько лет, в 1882 году, Томсон также вспоминал этот момент:
«Я познакомился с Джоулем на конгрессе в Оксфорде, и у нас сразу завязалась дружба из тех, что длятся всю жизнь. Я услышал его выступление и почувствовал себя обязанным встать и сказать ему, что он ошибается, поскольку истинное механическое значение тепла должно быть, при маленьких разницах в температуре, пропорционально квадрату его количества. Я знал по закону Карно, что это именно так. Но по мере того как я слушал, я видел, что Джоуль действительно описывает великую истину и великое открытие. Следовательно, вместо того чтобы встать с возражением в течение заседания, я дождался его конца и сказал это Джоулю лично в конце собрания. [...] Затем мы долго разговаривали на эту тему. Я получил идеи, которые никогда до этого не приходили мне в голову, и также, думаю, предложил что-то, достойное рассмотрения Джоуля, рассказав ему о теории Карно. С тех пор мы стали друзьями. Статья Джоуля оказалась большой сенсацией. Фарадей был там, и она очень его впечатлила, хотя он полностью не осознал нового видения. И через совсем небольшое время Стокс сказал мне, что чувствует в себе стремление стать джоулитом».
Следует понимать, что Томсон в те минуты оказался на распутье. С одной стороны, он был убежден в истинности теории Карно: некоторое количество тепла может проходить через машину Карно и производить при этом механическую работу без потерь; в машине Карно, работающей противоположным образом, некоторое количество механической работы используется для перемещения некоторого количества тепла от полюса низкой температуры к полюсу высокой температуры. Однако на него произвели сильное впечатление точные экспериментальные техники Джоуля, которые четко указывали на возможность выработки тепла с помощью механической работы. В письме отцу Уильям сообщал:
«Я уверен, что многие идеи Джоуля ошибочны, но, похоже, я открыл несколько фактов чрезвычайной важности, например то, что тепло развивается от трения движущихся флюидов».
Он также послал работы Джоуля своему брату Джеймсу: «Прилагаю статьи Джоуля, которые тебя удивят».
Машина Карно — это идеальная машина, представляющая собой цилиндр, заполненный идеальным газом, который приводит в действие поршень. Машина работает между двумя источниками постоянной температуры. Как видно, она работает между двумя кривыми «давление - объем» для двух различных температур, Т>1 > Т>2. Эти кривые иллюстрируют закон, который связывает давление (Р), объем (V), число молей (n) и температуру (T) идеального газа: PV = nRT, где R = 8, 314472 м>3 Па К-1 моль-1 — константа. Кроме того, чем выше температура газа, тем больше его кинетическая энергия, то есть энергия, вызванная скоростью его молекул.
