Книга Лорд Кельвин. Классическая термодинамика - Антонио М. Лальена Рохо

Но Томсон оставил эту исследовательскую линию, и Максвелл погрузился в работы по электричеству. Первая, озаглавленная «О фарадеевых силовых линиях», была опубликована в 1855 году. Ее теоретическая часть разрабатывалась в течение десяти лет. Целью работы было математическое оформление взаимосвязи между распределением зарядов и магнитов, полями, которые они создают, и их колебаниями во времени. В некотором смысле идея Томсона была той же, но его подход был другим. Для Томсона математический аппарат имел смысл только в том случае, когда он следовал из четко определенной физической модели и мог вылиться в механическую модель. Так же как и для других аналогий, разработанных до этого ученым, он думал, что аналогия между электромагнетизмом и теорией упругих твердых тел, которая появилась в его работе 1847 года, имеет глубокие следствия, связанные с рассматриваемыми явлениями. Томсон стремился найти твердое тело с соответствующими свойствами, чтобы сформулировать полную, непротиворечивую модель, охватывающую одновременно все эффекты электромагнитного характера. А затем, как только будет найдено такое тело, достаточно будет сформулировать выражения, описывающие его поведение, и при внесении необходимых изменений получить уравнения электромагнетизма.

Именно такие рассуждения стали причиной недооценки Томсоном теории Максвелла. Некоторые ее элементы не имели соответствия в физике твердых тел, и это оказалось решающим для Уильяма, принимавшего только взаимосвязь, которую Максвелл установил между электромагнитными волнами и светом. Вначале Максвелл уверял, что именно первые работы Томсона дали ему идеи для исследований, но со временем он так описывал произошедшее в письме к Фарадею в 1857 году:

«Насколько я знаю, Вы первый человек, которому пришла в голову мысль о телах, взаимодействующих на расстоянии и приводящих окружающую среду в силовое состояние, — мысль, которой действительно надо верить. [...] Нет ничего более ясного, чем Ваши описания всех источников силы, которые поддерживают одно состояние энергии у всего, что их окружает».

Под словами «состояние энергии» Максвелл имел в виду электромагнитное поле. Когда он закончил разработку своей теории, жизнь Фарадея подходила к концу, и исследователь, умерший в 1867 году, так и не понял, как Максвелл смог трансформировать его догадку об электромагнитном поле в набор математических уравнений, не лишенных элегантности. Однако многочисленные ученые, включая Томсона, имели много предубеждений относительно новой теории. Она начала приниматься только в 1888 году, через девять лет после смерти Максвелла и после того, как немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857-1894) смог получить электромагнитные волны в своей лаборатории.

ТЕОРИЯ ТЕПЛОРОДА

В течение XVIII и значительной части XIX века большинство ученых для описания явлений, связанных с теплом, использовали теорию теплорода. Эта теория, улучшенная Лапласом и Пуассоном, позволяла удовлетворительно объяснить почти весь эмпирический опыт. Значительная часть работ Томсона, посвященных теплоте, опиралась на понятие теплорода - невесомого флюида, присутствующего в каждом теле, окружая его атомы, и способного течь сквозь любое вещество.

С другой стороны, в соответствии с принятой в то время гипотезой считалось, что атомы взаимно притягиваются из-за силы тяготения. При нагревании тела расширяются, поглощая теплород, что приводит к увеличению расстояния между атомами материи. При охлаждении тело испускает теплород, одновременно сжимаясь, поскольку его атомы под воздействием гравитационной силы сближаются.

Лорд Кельвин со своими студентами в лаборатории в Университете Глазго.

Фон Гельмгольц, немецкий врач и физик, внесший значительный вклад в сохранение энергии.

Джеймс Джоуль, английский физик, чьи работы привели к формулировке первого закона термодинамики.

Уильям Томсон. Снимок сделан в 1860-х годах.

Кроме того, с помощью теплорода объяснялось существование твердых, жидких и газообразных тел. Без этой субстанции вся материя была бы организована в однородных твердых телах, поскольку все атомы притягивались бы друг к другу и соединялись бы. Следовательно, жидкая и газообразная материя формировались в результате воздействия отталкивающей силы — теплорода. В твердых телах количества теплорода недостаточно, чтобы препятствовать гравитационному притяжению атомов. Жидкости, наоборот, обладают достаточно высоким количеством теплорода, из-за этого их атомы не находятся в устойчивом положении. В газах гравитационное притяжение практически равно нулю, и из-за теплорода они стремятся расширяться, пока не заполнят все свободное пространство.

Теплопередача от теплых тел к холодным также прекрасно вписывалась в теорию. Чем меньше теплорода в теле, тем больше его атомы «желают» его получить. Если нагреть твердый брусок с одной стороны, то атомы, расположенные на этом конце, получают больше теплорода, чем соседние, и для удовлетворения «жажды» последних образовывается поток теплорода от одних атомов к другим, пока количество этой субстанции во всем теле не уравновесится.

Однако у этой теории были и свои критики. Несколько открытий Бенджамина Томпсона, графа Румфорда ( 1753-1814), американского врача и физика, поставили под сомнение ее справедливость. Например, Румфорд указал, что если кусок льда нагреть до его превращения в воду, то она будет занимать минимальный объем примерно при +5 °С, то есть нагревание не всегда предполагает расширение. Это же происходит и с другими веществами, однако ученые сочли, что подобные возражения не могут поколебать теорию теплорода.

В 1798 году Бенджамин Томпсон опубликовал доклад под названием «Исследование источника тепла, вызываемого трением», в котором рассказал о том, как сверло, с помощью которого высверливается канал в пушечном стволе, нагревается во время работы так сильно, что позволяет почти довести до кипения воду, используемую для охлаждения. Это явление могло быть объяснено тем, что при отделении металлической стружки часть теплорода, содержащегося в веществе металла, высвобождается, нагревая все элементы, задействованные в процессе. Но после этого граф Румфорд провел другой эксперимент, использовав тупое сверло, которое не могло снять никакой стружки, однако производило при работе примерно столько же тепла. Кроме того, ученый подсчитал, что если бы все тепло, выделившееся при сверлении ствола, было передано пушке, она бы просто расплавилась. Тепло не может исходить из пушки, следовательно, оно образовывается в процессе трения между сверлом и металлом. Однако современники этот факт проигнорировали.