Механическая теория теплоты

Теплота представляет собой форму энергии, связанную с хаотичным движением атомов или молекул вещества. [1798]

Теплота — вещь мистическая. Можно взять в руку кусок дерева, и от него руке не будет, по большому счету, ни тепло, ни холодно. Однако стоит бросить его в огонь — и оно, загоревшись, будет выделять теплоту в большом количестве. Откуда же берется теплота? Издревле люди считали, что теплота представляет собой особую жидкость под названием флогистон, или теплород, заключенную в дереве и других горючих субстанциях и высвобождающуюся при горении. К концу XVIII века, однако, накопилось достаточно экспериментальных данных, чтобы убедиться в ошибочности такой теории.

Одним из первых современные представления о природе теплоты предложил Бенджамин Томпсон (граф Румфорд). Он всегда отличался техническим складом ума и интересовался наукой применительно к баллистике и оружейному делу, которым посвятил свою жизнь. Уже живя в Баварии, он был техническим управляющим пушечного завода. Грубо отлитые стволы обрабатывались изнутри сверлильной фрезой для доведения до нужного калибра и придания им должной гладкости. Румфорд заметил, что при расточке стволы нагреваются, причем тем сильнее, чем тупее фреза. Измерив теплоемкость металлической стружки, ему удалось показать, что тепло никак не могло храниться до расточки в веществе ствола, а следовательно, теплота возникает в результате трения. Рассказывают, что он даже помещал рассверливаемую пушку в воду и сверлил ее, пока вода не закипела спустя несколько часов.

Сегодня мы понимаем теплоту (точнее сказать, тепловую или термальную энергию) как особую форму энергии, связанную с движением атомов или молекул, из которых состоит материал. При притоке энергии извне атомы или молекулы разогреваются — т. е. начинают колебаться или двигаться быстрее, при остывании же движение замедляется. В жидкостях и газах увеличивается скорость хаотичного броуновского движения и частота соударений атомов или молекул друг с другом. В твердых же телах атомы с большей амплитудой колеблются вокруг своих мест в кристаллической решетке. В обоих случаях, однако, то, что мы воспринимаем как теплоту или термальную энергию, на самом деле является кинетической энергией атомов или молекул. Как и все другие формы энергии, подчиняющиеся первому началу термодинамики, тепловая энергия может переходить в другие формы энергии, и это используется, например, в двигателях внутреннего сгорания и электрогенераторах.

Бенджамин ТОМПСОН (граф фон Румфорд)
Benjamin Thompson (Count Rumford), 1753–1814 — англо-американский учёный и изобретатель, авантюрист, государственный и общественный деятель ряда стран.

Научную деятельность Томпсон начал в 1778 году, выполнив количественное измерение взрывной силы пороха.

В 1798 году он сделал в мюнхенских военных мастерских важное наблюдение: при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура поднялась на 70 °F. Томпсон повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой. В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипела.

Таким образом, Томпсон впервые показал связь между механической работой и внутренней энергией и рассматривал последнюю как результат особого вида движения частиц материи. Вместе с Гемфри Дэви он значительно способствовал становлению кинетической теории теплоты. Ранее на то, «что причиною теплоты является внутреннее вращательное движение связанной материи», указывал М. В. Ломоносов.

Томпсон заложил основы термофизики: изобрел калориметр для определения теплоты реакций горения веществ, предложил конструкцию фотометра для изучения поглощения света веществом, открыл и исследовал явление конвекции в газах и жидкостях.

Он известен многочисленными изобретениями: например, камином оригинальной конструкции («камин Румфорда»). Считается, что он изобрёл симпатические чернила, кухонную плиту, кофейный перколятор, армейскую полевую кухню, печи для обжига кирпича, паровую отопительную систему и т. п.

Суп Румфорда

Карл Маркс в «Капитале» приводит уникальный кулинарный рецепт, т. н. «супа Румфорда», цитируя книгу самого графа Румфорда «Политические, экономические, философские и т. д. эссе»:

5 ф. ячменя, 5 ф. кукурузы, на 3 пенса селедок, на 1 пенс соли, на 1 пенс уксуса, на 2 пенса перцу и зелени, итого на сумму 20 3/4 пенса, получается суп на 64 человека, при этом при средних ценах хлеба стоимость этого может быть ещё понижена до 1/4 пенса на душу.

— Benjamin Thompson. Essays political, economical and philosophical etc.; 3 vol. London, 1796—1802, v. 1, p. 294.//К. Маркс «Капитал», т. 1, глава 22

Маркс приводит этот рецепт как пример того, какими способами жадные капиталисты стараются подешевле прокормить своих рабочих, и указывает имя автора: «один американский краснобай, возведенный в баронское звание янки Бенджамин Томпсон, он же граф Румфорд»

В конце 1780-х гг. Томпсон, будучи министром полиции в Баварии, предложил убрать с улиц Мюнхена нищих. В первый день нового, 1790 года, когда по традиции толпы бродяг со всей Баварии прибыли в Мюнхен собирать милостыню, они были окружены полицией и армией и отправлены в работный дом. В новом заведении с военной дисциплиной и строгим распорядком дня бродяги были обязаны трудиться на пользу государства, получая взамен приют и пищу.

Для минимизации расходов на их питание Томпсон развил теорию алхимика ван Гельмонта, согласно которой главная пища растений — это вода, а минеральные вещества лишь «катализируют» её разложение. То же, считал Томпсон, верно и для человека. Из этого он сделал логичный вывод, что лучшим и самым питательным блюдом будет суп: «Меня немало удивило, что очень малое количество твердой пищи, правильно приготовленное, утоляет голод, поддерживает жизнь и здоровье». На самом деле, это мнение не имело ничего общего с реальностью, однако на практике это работало, поскольку еда, приготовленная в виде супа, обладает наибольшим коэффициентом полезного действия в плане энергетической ценности и лучше всего усваивается организмом. Пятилетние эксперименты на солдатах и обитателях работного дома позволили Румфорду предложить рецепт «наидешевейшей, вкуснейшей и самой питательной пищи, которую только можно себе представить. Это суп, состоящий из перловой ячменной крупы, гороха, картофеля, мелко нарезанного белого хлеба, уксуса, соли и воды в определённых пропорциях». Далее учёный подробно описывает, как готовить этот суп, в каких котлах, как и какими порциями (по пинте с четвертью, то есть примерно по 600 миллилитров) его раздавать… Высушенные кусочки белого хлеба, добавляемые в последний момент, призваны заставить едока усиленно жевать, замедлить процесс поедания и тем повысить питательность супа.

Граф предложил несколько вариантов супа, в том числе с использованием вместо уксуса более дешёвого прокисшего пива. Были варианты разной стоимости: с мясом, с перетёртой копчёной селёдкой, с кукурузой. Хотя в исходном рецепте указывались очень большие меры веса и объёма, в одном из сочинений Румфорда есть и рецепт супа на одного человека: «унция перловки, унция сухого жёлтого гороха, три унции картофеля, четверть унции белых сухариков, соль по вкусу, пол-унции уксуса и 14 унций воды».

Похлёбка Румфорда стала основой для питания солдат практически всех армий вплоть до середины XX века. До настоящего времени рецепт Румфорда почти в неизменном виде используется Армией спасения для кормления бездомных. Практически он стал основателем диетологии — науки о питании. Румфорд многое сделал для признания картофеля как пищевой культуры, ратовал и за внедрение других дешёвых и сытных блюд — поленты и макарон, почти неизвестных тогда в Германии и Англии.