Теория теплорода — это устаревшая научная теория , согласно которой тепло состоит из самоотталкивающей жидкости , называемой теплородом , которая течет от более горячих тел к более холодным. Калорию также считали невесомым газом , который мог проникать в поры твердых тел и жидкостей и выходить из них. «Теория теплоты» была заменена в середине 19 века механической теорией тепла , но, тем не менее, сохранялась в некоторой научной литературе, особенно в более популярных методах лечения, до конца 19 века. [1]
В истории термодинамики первоначальные объяснения тепла были полностью перепутаны с объяснениями горения . После того, как в 17 веке И. Я. Бехер и Георг Эрнст Шталь представили флогистонную теорию горения, считалось, что флогистон представляет собой тепловую субстанцию.
Существует одна версия теории теплорода, предложенная Антуаном Лавуазье . До появления теории теплоты Лавуазье опубликованные ссылки, касающиеся тепла и его существования, помимо того, что оно является агентом химических реакций, были редкими и были предложены только Джозефом Блэком в «Журнале Розье» (1772) со ссылкой на температуру плавления льда. [2] В ответ Блэку частные рукописи Лавуазье показали, что он столкнулся с тем же явлением фиксированной температуры плавления льда, и упомянули, что он уже сформулировал объяснение, которое еще не опубликовал. [3] Лавуазье разработал объяснение горения с точки зрения кислорода в 1770-х годах. В своей статье «Размышления о флогистике» (1783 г.) Лавуазье утверждал, что теория флогистона несовместима с его экспериментальными результатами, и предложил «тонкую жидкость», называемую теплородом, как тепловую субстанцию . [4] Согласно этой теории, количество этого вещества постоянно во всей Вселенной, [ нужна ссылка ] и оно перетекает от более теплых тел к более холодным. Действительно, Лавуазье был одним из первых, кто использовал калориметр для измерения тепла, выделяющегося во время химической реакции. Лавуазье выдвинул идею, что теплород представляет собой тонкую жидкость, подчиняющуюся обычным законам материи, но разреженную до такой степени, что она способна беспрепятственно проходить сквозь плотную материю; Собственная материальная природа калорий очевидна, когда они в изобилии, например, в случае взрыва. [2]
В 1780-х годах граф Румфорд полагал, что холод — это жидкость, «холодная» по результатам эксперимента Пикте . Пьер Прево утверждал, что холод — это просто недостаток калорий.
Поскольку тепло было материальной субстанцией в теории теплорода и, следовательно, не могло быть ни создано, ни уничтожено, сохранение тепла было центральным предположением. [5] Считалось, что теплопроводность происходила в результате сродства между теплородом и веществом, поэтому чем меньше калорий имело вещество, тем самым оно было более холодным, притягивало избыток калорий от близлежащих атомов до тех пор, пока не достигалось тепловое и температурное равновесие. [6]
Химики того времени верили в самоотталкивание тепловых частиц как в фундаментальную силу, тем самым делая большую текучую эластичность теплорода, которая не создает силы отталкивания, аномальным свойством, которое Лавуазье не мог объяснить своим хулителям. [7]
Лавуазье объяснил, что излучение тепла связано с состоянием поверхности физического тела, а не с материалом, из которого оно состоит. [6] [8] Лавуазье описал плохой радиатор как вещество с полированной или гладкой поверхностью, поскольку его молекулы лежат в плоскости, тесно связанной друг с другом, таким образом создавая поверхностный слой теплорода, который изолирует высвобождение остального внутри. [6] Он описал большой радиатор как вещество с шероховатой поверхностью, поскольку лишь небольшое количество молекул удерживает тепло в пределах данной плоскости, обеспечивая больший выход изнутри. [6] Граф Румфорд позже назвал это объяснение движения калорий недостаточным для объяснения того, что излучение холода становится предметом разногласий для теории в целом. [6]
На внедрение калорической теории повлияли эксперименты Джозефа Блэка , связанные с тепловыми свойствами материалов. Помимо теории теплорода, в конце восемнадцатого века существовала еще одна теория, которая могла объяснить явление тепла: кинетическая теория . В то время эти две теории считались эквивалентными, но кинетическая теория была более современной, поскольку она использовала несколько идей атомной теории и могла объяснить как горение, так и калориметрию. Неспособность теории теплорода объяснить испарение и сублимацию в дальнейшем привела к возникновению кинетической теории благодаря работам графа Румфорда. Граф Румфорд наблюдал склонность твердой ртути к плавлению в атмосферных условиях и поэтому предположил, что интенсивность тепла сама по себе должна быть обусловлена движением частиц, чтобы такое событие произошло там, где не ожидалось большого тепла. [3]
На основе одних только этих гипотез можно и было сделано довольно много успешных объяснений. Мы можем объяснить охлаждение чашки чая при комнатной температуре: калорийность самоотталкивается и, таким образом, медленно перетекает из областей с высокой калорийностью (горячая вода) в области с меньшей калорийностью (более прохладный воздух в комнате).
Мы можем объяснить расширение воздуха при нагревании: калории поглощаются воздухом, что увеличивает его объем . Если мы скажем немного больше о том, что происходит с калориями во время этого явления поглощения, мы сможем объяснить излучение тепла , изменения состояния вещества при различных температурах и вывести почти все газовые законы .
Сади Карно , рассуждавший исключительно на основе теории теплоты сгорания, разработал свой принцип цикла Карно , который до сих пор составляет основу теории тепловых двигателей . Анализ Карно потока энергии в паровых машинах (1824 г.) положил начало идеям, которые тридцать лет спустя привели к признанию второго закона термодинамики .
Считалось, что калория способна вступать в химические реакции в качестве заместителя, вызывая соответствующие изменения в материальных состояниях других веществ. [2] Лавуазье объяснил, что калорийность вещества и, в зависимости от степени, текучесть теплоты, напрямую определяют состояние вещества. [9] Таким образом, изменения состояния были центральным аспектом химического процесса и существенным для реакции, в которой заместители претерпевают изменения температуры. [9] Прежние химики практически игнорировали изменения состояния, сделав теорию теплорода отправной точкой для этого класса явлений как предмета научного интереса. [2]
Однако одним из величайших очевидных подтверждений теории теплорода стала теоретическая корректировка Пьером-Симоном Лапласом расчета скорости звука сэра Исаака Ньютона . Ньютон предполагал изотермический процесс , а калорист Лаплас считал его адиабатическим . [10] Это дополнение не только существенно скорректировало теоретические предсказания скорости звука, но и продолжало делать ещё более точные предсказания в течение почти столетия спустя, даже когда измерения стали более точными.
В 1798 году граф Румфорд опубликовал «Экспериментальное исследование источника тепла, возбуждаемого трением» , отчет о своем исследовании тепла, выделяемого при производстве пушек . Он обнаружил, что многократное сверление пушки не приводит к потере ее способности производить тепло и, следовательно, к потере калорийности . Это предполагало, что калорийность не может быть сохраняющейся «веществом», хотя экспериментальные неопределенности в его эксперименте широко обсуждались.
В то время его результаты не рассматривались как «угроза» теории теплоты, поскольку эта теория считалась эквивалентной альтернативной кинетической теории . [11] Фактически, для некоторых из его современников эти результаты расширили понимание теории теплорода.
.png/1280px-Joule's_Apparatus_(Harper's_Scan).png)
Эксперимент Рамфорда вдохновил Джеймса Прескотта Джоуля и других на работу в середине XIX века. В 1850 году Рудольф Клаузиус опубликовал статью, показывающую, что эти две теории действительно совместимы, поскольку принцип калорилистов сохранения тепла был заменен принципом сохранения энергии . Однако, хотя эти теории и совместимы, они существенно различаются по своим последствиям. В современной термодинамике тепло – это обычно передача кинетической энергии частиц (атомов, молекул) от более горячего вещества к более холодному.
В более позднем сочетании с законом сохранения энергии теория теплорода все еще обеспечивает ценную аналогию для некоторых аспектов тепла, например, появление уравнения Лапласа и уравнения Пуассона в проблемах пространственного распределения тепла и температуры. [ нужна цитата ]