Напоминания об этой теории сохранились даже в современном разговорном языке. Так, мы говорим, что теплота «течёт» от горячего тела к холодному, как будто речь идёт о жидкости. Слово «температура» в переводе с латинского означает «правильное соотношение». Ранее под температурой тела понимали «смесь» вещества и теплорода, а «крепость» этой смеси измеряли градусами, как сейчас определяют крепость спиртных напитков. Слова «температура» и «градус» мы используем и сегодня, хотя вкладываем в них иной смысл.
Альтернативой теории теплорода стала молекулярно-кинетическая теория, сторонником которой был М. В. Ломоносов. Она связывала теплоту с движением молекул, но содержала в то время лишь качественные представления и поэтому не имела преимуществ перед простой и наглядной теорией теплорода.
В конце XVIII в. опытным путём было доказано, что «количество теплоты» в различных процессах не сохраняется и что теплота может возникать в результате механического движения. Американец Бенджамен Томпсон (1753—1814), получивший в Европе титул графа Румфорда в 1798 г., проводя опыты в мюнхенских военных мастерских, установил, что при сверлении металла выделяется большое количество теплоты. Например, когда высверливали цилиндр из пушечного металла, погружённого в сосуд с водой, вода закипала. С позиции теории теплорода единственным объяснением этого факта могло быть то, что в стружках содержится уже меньше теплорода, чем в металле, из которого они получены. Однако измерения показали: теплоёмкости металла и стружки равны. Более того, оказалось, что, если пользоваться тупым сверлом, стружка почти не образуется, но при трении сверла о металл можно получить неограниченное количество теплоты. Из этих опытов Румфорд сделал вывод, что теплота — не вещество, а результат механического движения.
В 1799 г. подобные эксперименты провёл и знаменитый английский
химик Гемфри Дэви. Ему удалось расплавить два куска льда, изолированные от внешних воздействий, посредством их трения друг о друга. Дэви пришёл к тому же выводу: причиной возникновения теплоты является движение.
Однако окончательно понять природу теплоты удалось только после открытия первого закона термодинамики.
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
В 1840 г. немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814—1878) работал на острове Ява. В те годы обычной медицинской процедурой было кровопускание. Майер обратил внимание на то, что венозная кровь матросов, которых он лечил, светлее, чем была в северных широтах, и близка по цвету к артериальной. Майер знал: изменение окраски крови связано с поглощением кислорода (насыщенная кислородом артериальная кровь светлее лишённой кислорода венозной). Учёный смог дать правильное объяснение обнаруженному им явлению. В жарком климате для поддержания постоянной температуры тела организм должен вырабатывать меньше теплоты, поэтому на окисление пищи расходуется меньше кислорода и кровь почти не темнеет.
В 1842 г. Майер сформулировал важнейший для термодинамики вывод о том, что теплота и работа могут превращаться друг в друга. Кроме того, он впервые установил количественное соотношение между теплотой и работой, вычислив так называемый механический эквивалент теплоты.
Формулирование первого закона термодинамики завершил в 1850 г. немецкий физик Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус (1822—1888). Из принципа эквивалентности теплоты и работы, заключил он, следует, что система обладает особым свойством, изменение которого равно алгебраической сумме теплоты и работы.
Позднее это свойство получило название внутренней энергии.
Итак, первый закон термодинамики утверждает:
Любое физическое тело имеет внутреннюю энергию U, которую можно увеличить двумя способами — подводя к телу теплоту Q или производя над ним работу А: DU=Q+A.
Справедливо и обратное утверждение: если система производит работу А мят теряет теплоту Q, то её внутренняя энергия уменьшается на величину А или Q. Для закрытой системы это единственно возможные способы изменения её внутренней энергии.
Внутренняя энергия считается положительной (DU> 0), когда система получает энергию, и отрицательной (DU<0), когда теряет. То же относится к Q и А: если теплота поступает в систему или работа совершается над системой, то они положительны, если наоборот — отрицательны.