Важнейшее значение для развития техники имело формирование научного представления о природе теплоты. Возникла необходимость разобраться и понять, каким образом тепло совершает механическую работу в различных машинах и механизмах, которые к тому времени создавались и широко внедрялись в различных областях промышленного производства взамен гидравлических и ветровых двигателей..

В последней четверти XVIII века большинство ученых мира все еще находились под гипнотическим влиянием научного дарования и гениальных открытий Исаака Ньютона, и пытались практически все явления природы объяснять с позиций механики. Однако, каждый новый день ставил перед естествоиспытателями все более сложные задачи, которые не всегда можно было объяснить законами механики. Тем не менее, развитие учения о теплоте и создание кинетической теории теплоты были непосредственно связаны с развитием механических представлений в науке. Важную роль в понимании природы теплоты сыграли случайные наблюдения острых глаз и пытливого ума некоторых ученых за отдельными природными явлениями .

К этому периоду в науке еще существовало представление о теплоте как о некотором особом веществе — теплороде, имеющем способность переходить от более нагретых тел к менее нагретым и повышать их температуру. Расширение тел при нагревании также объясняли проникновением теплорода в поры тела при его нагревании. Укрепление представлений о теплороде способствовали также расчетные и калориметрические исследования, проведенные в середине XVIII века петербургским академиком Г.В.Рихманом и англичанином Д.Блэком, и приведшие их к открытию скрытой теплоты плавления и испарения.

Однако ошибочность теории теплорода была все-таки доказана. Решающим фактором в опровержении этой теории явились случайные наблюдения талантливого американского инженера, естествоиспытателя и политического деятеля Бенджамина Томпсона (1753-1814). В 70-х годах XVIII века он приехал из США в Лондон и начал работать на военных заводах Англии. Наблюдая позднее за сверлением каналов в орудийных стволах на Мюнхенском арсенале, он стал свидетелем сильного нагрева бронзовых стволов пушек, причем температура ствола повышалась столь сильно, что никаким теплородом это явление объяснить было невозможно.

Сомнения Б.Томпсона в существовании теплорода были столь велики, что он решил их проверить на практике, поставив для этой цели в 1798 году специальный эксперимент. Для этого он изготовил из того же металла, что и орудийные стволы, цилиндрическую болванку, высверлил в ней отверстие и, поместив в него тупое сверло, придал ему быстрое вращение при помощи особого механизма, приводимого в движение парой лошадей. Температура внутри цилиндра поднялась до 70^oС. Затем, поместив болванку в воду, ему удалось довести ее до кипения. Образно говоря, Томпсону удалось «превратить лошадиную силу в теплоту»

Эти и другие многочисленные опыты позволили Томпсону убедиться в том, что единственным источником теплоты при сверлении ствола могло быть только движение или энергия. Отсюда он сделал исторический вывод о том, что теплорода в природе не существует, а источник теплоты заключен в движении. Научные заслуги Б.Томпсона получили высокую оценку: ему был дарован титул графа Румфорда, и он был назначен военным министром Англии.

В результате выдающегося открытия графа Томпсона-Румфорда было положено начало пересмотру сложившихся ранее представлений о теплоте. Стало ясно, что существует непосредственная связь между теплотой и механической энергией. Говоря современным языком, встал вопрос о вычислении эквивалента между механической энергией и теплотой. На существование такой связи в 1824 году впервые указывал талантливый французский инженер Сади Карно (1796-1832). Но так как в это время еще господствовала теория теплорода, то эта идея Карно не получила признания. Между тем, позднее она была положена в основу объяснения процессов работы тепловых машин и создания теории новых силовых двигателей – тепловых машин.

Первым, кто определил механический эквивалент теплоты, был Роберт Майер (1814-1887), врач по профессии, которому также помогли случайные наблюдения. Отправившись в 1841 году на борту корабля в качестве судового врача к берегам Индонезии, молодой медик Р.Майер некоторое время жил среди местного населения на острове Ява, занимаясь частной практикой. Одновременно он лечил заболевших матросов корабля. Проводя кровопускание в целях лечения острого легочного заболевания, он обратил внимание на тот факт, что кровь местного населения была необыкновенно красной по сравнению с кровью моряков-европейцев. Возвратившись в Германию, Майер стал искать объяснение этому факту. Размышления Майера позволили ему прийти к следующим предположениям.:

1. В органическом мире и в неживой природе действуют одни и те же физические и химические законы.
2. Разница в цвете крови должна находиться в какой-то связи с разницей температуры тела человека и окружающей среды.
3. Разница в цвете крови отражает потребление организмом кислорода, т.е. интенсивность окислительных процессов («сгорания») в организме.

В результате этих размышлений он пришел к выводу, что, между жизнедеятельностью человека (расходованием им энергии за счет «сгорания пищи») и теплотой, существует количественная связь. Однако эти идеи Майера вначале были отвергнуты физиками.

Тогда, изучив исследования Гей-Люсака, Дальтона и других ученых по сжатию и расширению газов, он пришел к еще более важному выводу: теплоемкость газов в процессе, протекающем при постоянном давлении, больше, чем теплоемкость при постоянном объеме, на величину, равную работе расширения 1 см³ этого газа. Зная из работ Гей-Люсака, что коэффициент объемного расширения воздуха равен 1/274, Майеру удалось вычислить величину работы расширения воздуха при затрате 1 ккал теплоты. Эта величина и представляет собой механический эквивалент теплоты. Она оказалась у Роберта Майера равной 367 кгм/ккал. Сегодня известно другое значение эквивалента (427 кгм/ккал). Но это значение Майер не мог получить, так как он использовал существовавшие в то время неточные значения удельных теплоемкостей и коэффициентов объемного расширения воздуха.

Мы рассматриваем здесь этот период развития учения о теплоте столь подробно еще по одной причине. Он наглядно показывает сколь трагически порой складывается судьба первооткрывателей в науке и технике. Важнейшее открытие, сделанное Робертом Майером, не принесло ему славы. Он смог опубликовать результаты своих работ лишь в 1845 году. Однако, к этому времени параллельно с Майером опыты по определению механического эквивалента теплоты проводил другой самодеятельный естествоиспытатель, очень любивший науку и на досуге занимавшийся ею, владелец пивоваренного завода в Манчестере Джеймс Джоуль (1818-1889).

В результате остроумно поставленных и тщательно проведенных экспериментов на установке, сконструированной у себя на заводе, Д.Джоулю удалось определить точное значение механического эквивалента теплоты, равное 427 кгм/ккал. Результаты своих работ он опубликовал в научных журналах. Когда с ними познакомился Майер, он заявил, что приоритет в открытии механического эквивалента принадлежит ему. В результате разгоревшегося спора, в котором многие ученые стали на сторону Джоуля, Майер был доведен до отчаяния и пытался покончить жизнь самоубийством. Случайно оставшись живым, он был признан душевнобольным и год провел в психолечебнице. Искалеченный духовно он умер в 1878 году, так и не испытав радости от признания своих научных достижений. Сегодня приоритет Д.Майера признан всеми, а одна из основных формул термодинамики носит его имя.

Жизненный путь Роберта Майера – один из примеров того, какой сложной, порой трагической бывает судьба ученого и изобретателя при его жизни и как, в конце концов, справедливость торжествует, а заслуги автора признаются. Но, к сожалению, это зачастую происходит с большим опозданием, уже после смерти автора. Таких примеров история науки и техники знает немало, и мы будем еще на них останавливаться. 

Статья поступила в редакцию 12 декабря 2006 года