Вещество и огонь

Ртутный термометр дал возможность измерять, насколько горячим является тело. Однако оставался вопрос, что же такое тепло. Даже в самый светлый период эпохи Просвещения в поисках ответов на вопросы наука все еще была подвержена влиянию древнегреческого наследия.

Исследования Джозефа Блэка основывались на теории, что тепло — это некоторая субстанция — густая жидкость, получившая название «caloricum», которая может, хотя иногда и с трудом, перетекать из одного вещества в другое. Эти рассуждения были результатом многовековых убеждений, что огонь — это вещество, субстанция. В Средние века ученые думали, что сера представляет собой огонь в твердом виде, а к XVIII веку доминировала теория, что вещество горит потому, что содержит «огненную субстанцию» флогистон. Соответственно, тепло и свет от пламени считали результатом высвобождения флогистона из вещества. Однако экспериментальные факты указывали на другое. По теории флогистонов, горячий металл светится потому, что высвобождаются флогистоны. Но, нагревая некоторые металлы, люди замечали, что они становятся тяжелее. Это означало появление чего-то нового (в данном случае слой окислов).

На русский язык латинское слово caloricum перевели как «теплород», а от его звучания появилось слово «калория».

Открытие горения

Флогистон в историю отправил Антуан Лавуазье из Франции. В 1770-х годах он показал, что горение или сжигание — это, по сути, взаимодействие вещества с кислородом ныне хорошо известным газом, а тогда только открытым. Лавуазье, давший имя кислороду, открыл также и водород. Он обнаружил, что сжигание двух этих газов вместе дает воду вначале в виде пара, который при охлаждении становится жидкостью. Эксперименты Лавуазье также подтвердили то, о чем за 20 лет до него говорил русский ученый-энциклопедист Михаил Ломоносов. Вес водорода и кислорода до соединения, по его мнению, должен быть таким же, что и вес воды после. Это доказывало, что материя не создается и не уничтожается, она только преобразуется. Так что для флогистона не осталось места.

Измерение теплоты

Лавуазье предположил, что свет и тепло — это два вида одного и того же явления. Со времен Ньютона, утверждавшего, что свет состоит из крошечных частиц без веса, или «корпускул», прошло не так много времени, и Лавуазье решил, что с теплом ситуация та же. Француз перевел на «низкую латынь» галльское слово и назвал новую гипотетическую субстанцию «теплородом».

Схема калориметра Лавуазье-Лапласа, представлявшего собой комбинацию печки, крышки и сливной системы для сбора растопленной в ходе опыта воды. В одном отчете сообщалось, что в центральную камеру помещалась морская свинка, чтобы показать, что тепла от ее тела было ничуть не меньше, чем тепла, выделяющегося при сжигании иных веществ

В 1780-х годах Антуан Лавуазье много общался с Пьером-Симоном Лапласом — еще одним французским ученым, по интеллекту не уступавшим самому Лавуазье. Они вместе решили построить машину для измерения количества тепла, другим словом, калориметр. В конце концов таким прибором оказалась камера сгорания, защищенная от влияния внешней среды слоями теплоизолятора. Центральная камера помещалась в точно отмеренный объем, плотно упакованный колотым льдом. «Калории» должны были идти от центральной камеры и плавить кристаллики льда вокруг. Рассчитав точную пропорцию льда и расплавленной воды, ученые могли измерить количество испущенных калорий. Как вы догадались, калории в пище также измеряются с использованием современных вариантов таких устройств.

Тепло как движение

Русский ученый-энциклопедист Михаил Ломоносов объял многие науки, однако за пределами России остался практически неизвестным. До него уже предполагали, что при нагревании газа его молекулы просто быстрее движутся, а Ломоносов обратил эту идею на другие состояния вещества. По его рассуждениям, все тепло, где бы оно ни было, является результатом движения в ткани бытия. Наше современное понимание тепла основывается на той же идее.

Российская императрица Екатерина Великая пригласила Ломоносова продемонстрировать свои научные приборы

Измерение заряда

В 1780-х годах один французский физик придумал, как измерить силу, возникающую между заряженными телами. Сейчас результат его работы многие помнят со средней школы.

Пионеры в области электричества пытались разрабатывать такие приборы, которыми можно было бы измерять силы взаимодействия между заряженными телами. Однако оказалось, что эти силы слишком слабы и провести их количественную оценку весьма затруднительно.

Лишь в 1784 году Шарль Огюстен де Кулон изобрел крутильные весы, которые оказались достаточно чувствительными, чтобы измерить электростатические силы. Они представляют собой металлический стержень, подвешенный на нить и поворачивающийся от самой слабой силы. Если поднести заряженный объект, сила изменится, и стержень на нити повернется. Кулон открыл то, что мы теперь знаем как закон Кулона — сила электростатического взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между заряженными телами. Подобное соотношение мы уже встречали в другой природной силе — гравитации.