Среди тех, кто первым понял важность рассмотрения теплоты как энергии, был доктор (не философии, а медицины) Юлиус Роберт фон Майер (1814—1878). «Мы видим в бесконечном числе случаев, как исчезает движение без того, чтобы им было произведено другое движение или поднятие груза», — пишет Майер. Далее он выдвигает предположение, ставшее почти банальным к началу двадцатого века:

«Но имеющаяся однажды налицо энергия¹⁾ не может превратиться в нуль, а только перейти в другую форму, и, следовательно, спрашивается: какую дальнейшую форму способна принять энергия?».

Затем он доказывает, что, поскольку работа переходит в тепло (например, при трении двух палочек одна о другую выделяется тепло), теплота есть одна из форм энергии:

«Если сила падения и движение (потенциальная и кинетическая энергии) равны теплу, то, естественно, и тепло должно быть равно движению и силе падения».

Далее Майер высказывает свое наиболее проницательное заключение. Если теплота есть форма кинетической и потенциальной энергий, а полная энергия сохраняется, то для получения определенного количества тепла необходимо затратить определенное количество механической энергии. Иными словами, заданная работа приводит к выделению заданного количества тепла. Из экспериментов, проведенных ранее для газов, Майеру удалось получить количественное соотношение между механической работой и теплотой, которое находится в хорошем согласии с результатами современных измерений.

Непосредственное измерение механического эквивалента теплоты осуществил англичанин Джеймс Прескотт Джоуль (1818—1889). В течение всей своей жизни Джоуль провел длинную серию экспериментов, в которых различные формы энергии превращались в тепло. Сначала он сравнил механическую работу, требуемую для вращения генератора электрического тока, с теплом, выделяющимся при прохождении тока.

1) Майер использует слово «сила», подразумевая то, что мы сейчас называем энергией.

В электрических цепях часто встречаются так называемые резистивные элементы (в этих элементах движение электронов затормаживается вследствие, например, рассеяния их на примесях). Вдоль таких элементов:

разность потенциалов = (протекающий ток) х (сопротивление),

V = I * R            (24.4)

Поскольку над электроном, проходящим разность потенциалов (1 В), совершается работа (1 эВ) и поскольку скорость электрона в таких элементах цепи, как нам представляется, не возрастает (электрон может ускориться, но затем он сталкивается с атомами металла и отдает им свою энергию), можно заключить, что вся энергия, которую набирает электрон, проходя разность потенциалов (фиг. 360), должна передаваться положительно заряженным ионам решетки и примесям (провода), которые увеличивают свое хаотическое движение, т. е. выделяется тепло. Таким образом, выделяющаяся теплота (джоулево тепло) равна работе, произведенной над электронами. Мы можем вычислить ее следующим образом:

Позднее Джоуль измерил количество тепла, выделяющегося из-за трения при прохождении воды через тонкие трубки, и работу, требуемую для поддержания потока воды. Он измерил работу, совершаемую при сжатии газа, и выделяющуюся при этом теплоту. Затем он осуществил свой знаменитый эксперимент (фиг. 361), в котором колесо с насаженными лопатками вращалось в теплоизолированной бадье, и сравнил механическую работу, требуемую для вращения такого колеса, с тем увеличением температуры воды, которое было вызвано трением между лопатками и водой. Говорят, что даже во время медового месяца Джоуль не оставлял своих основных занятий и измерял температуру воды выше и ниже водопада в Шамони, чтобы определить увеличение температуры, возникающее из-за удара воды о скалы ниже водопада (потенциальная энергия воды переходит в кинетическую, а затем в тепловую).

Его преданность делу была вознаграждена сторицей: он смог заключить, что заданное количество работы переходит в заданное количество теплоты. Численное соотношение (по данным современных измерений) таково:

1 кал = 4,18 Дж = 4,18*10⁷ эрг. (24.6)

Это означает, что если мы будем взбалтывать, растирать, перемешивать или- совершать другую механическую работу над системой, состоящей из термически изолированного 1 г воды, то-каждым 4,18 Дж работы будет соответствовать повышение температуры на 1°С. Если система состоит из 2 г воды, то для увеличения^ температуры на 1° С над ней надо совершить работу в 8,36 Дж. Если же система состоит из 1 г меди, то, чтобы повысить ее температуру на 1 °С, требуется совершить над ней работу в 0,092*4,18=0,385 Дж. К этому времени стало ясно, что теплород не только не сохраняется, но и порождается в определенном количестве, когда над системой производится работа, и это понимание, безусловно, явилось причиной падения материальной теории теплоты.

Принцип сохранения, потерпевший крах

В основе материальной теории лежала идея о сохранении теплоты. Если бы это было так, то, конечно, было бы проще всего представлять теплоту в виде субстанции, которая не возникает и не исчезает, а перетекает от одного тела к другому. Именно в этом пункте материальная теория подверглась наиболее сильным нападкам. Удалось легко показать, что в экспериментах с трением (подобных экспериментам Румфорда по сверлению пушечных стволов) теплота может возникать практически в неограниченных количествах.

Путь развития физики устлан всевозможными законами сохранения — законами, утверждающими, что в изолированных системах определенные величины не могут возникать или исчезать. Предчувствия, что такие законы существуют, родились не сегодня — их корни уходят в глубь веков. Лукреций отражает античные взгляды, когда говорит: «…вещи не могут ни создаваться из ничего, ни, однажды возникнув, вновь обращаться в ничто…». С тех пор было придумано множество таких законов: сохранения массы, энергии, заряда, барионного числа и т. д. Часто эти законы оказываются полезными при описании лишь ограниченного круга явлений. Так, при изучении химических реакций можно считать, что масса сохраняется, однако при ядерных реакциях применение такого закона было бы ошибочным, так как, например, масса конечных продуктов деления урана меньше массы исходного количества урана. В этом отношении учение о теплоте не является исключением. Теперь мы говорим, что теплота, или теплород, не сохраняется, но сохраняется энергия. Со временем стало ясно, что теплота есть форма энергии, в результате чего ограниченный принцип сохранения тепла превратился в более общий принцип сохранения энергии.