Далее было обнаружено, что стружка имеет такую же удель­ную теплоемкость, как исходный металл отливки. Вследствие полученных результатов Румфорд сделал вывод о том, что теп­лота не могла быть получена за счет «выжимания» теплорода из металла. Этот эксперимент мог быть поставлен только бла­годаря развитию калориметрических исследований — иссле­дований по изучению явлений теплообмена между двумя ве­ществами (

однородными с различными температурами, раз­нородными с различными температурами, в разных фазах и т. д.) — при смешивании их в теплоизолированном сосуде-ка­лориметре. Основная заслуга проведения подобных опытов при­надлежит петербургскому академику Георгу Рихману — первому физику, воспитанному петербургской Академией наук [53]. В процессе его опытов было установлено, что при смешивании жидкостей устанавливается одинаковая для всей смеси тем­пература.   Рис. 3. Чертежи М.В.

Ломоносова, поясняющие кинетическую те­орию теплоты. Отрицая теплород, М.В. Ломоносов считал, что среда, эфир, по которому распространяется тепло, построен атомистически, так, что в промежутках между более крупными шарообразными частицами располагаются более мелкие, а меж­ду ними — еще более мелкие. Дальнейшие испытания были направлены на выяс­нение вопроса, как распределяется теплота между различны­ми телами.

Было установлено, что различные тела имеют раз­личные удельные теплоемкости. Под удельной теплоемкостью вещества понимается количество теплоты (тогда еще тепло­рода), необходимой для увеличения температуры единицы мас­сы вещества на один градус. В процессе калориметрических исследований было сделано важное заключение о том, что при исследовании тепловых явлений следует различать такие по­нятия, как температура и теплота.

Так, при превращении, на­пример, льда в воду теплота расходуется, а температура при этом изменяется (лед, как и прочие тела, плавится при строго определенной температуре). Вместе с понятием количества теплоты были установлены понятия теплоемкости, удельной теплоемкости, теплоты плавления, теплоты парообразова­ния. Опыты Румфорда были подтверждены также работами Хэмфри Дэви, показавшими, что трение двух кусков льда друг о друга может вызвать их таяние.

Несмотря на то, что кинети­ческой теории теплоты придерживались многие ученые, гос­подствующей на протяжении столетий являлась теплородная теория. Причина этого кроется в том, что вплоть до изготовле­ния паровых машин и их усовершенствования ученые не инте­ресовались вопросом о путях превращения теплоты в меха­ническую работу. (Деятельность первых конструкторов тепло­вых устройств была связана с добычей топлива.

Один из первых паровых насосов, служивших для откачки воды из шахт, был сконструирован владельцем одной из шахт Англии, Томасом Сэвери, в конце XVII века Паровой насос Сэвери в усовер­шенствованных видах использовался вплоть до середины XVIII века. Более совершенную паровую машину построил ан­гличанин Томас Ньюкомен, работавший вместе с Сэвери.

Ма­шина Ньюкомена уже имела основные детали современной паровой машины — цилиндр и поршень. Главное новшество состояло в том, что в машине Ньюкомена пар давил не непос­редственно на поверхность воды, а на поршень в цилиндре.) Обратные процессы превращения работы в теплоту были известны с незапамятных времен, но они, как каза­лось, хорошо объяснялись теплородной теорией.

Теплородной теории придерживался также Сади Карно, который пер­вым провел исследования процессов по превращению теп­лоты в работу и изучение функционирования тепловых машин. С. Карно ввел понятие циклического (кругового) процесса. Наблюдая действие паровой машины, он обра­тил внимание, что используемый для перемещения цилин­дра пар затем выпускается в среду с меньшей температу­рой, где он снова превращается в воду (конденсат)

, причем конденсат в дальнейшем более не используется. Карно ста­вит вопрос о возможности использования отработанного конденсата, о возвращении в котел, где он вновь нагреется, превратится в пар, который при своем дальнейшем расши­рении вновь совершит работу над поршнем. Таким обра­зом, вода будет проходить полный цикл — ряд процессов, в результате которых возвратится в исходное состояние.

Карно также установил, что подобный непрерывный цик­лический процесс возможен лишь при наличии двух на­гревателей: нагревателя при высокой температуре Т1 и хо­лодильника при более низкой температуре Т1. Кроме нагревателя и холодильника необходимо рабочее тело. Ра­бочее тело, забирая у нагревателя количество теплоты Q 1 произведя работу, для восстановления своих исходных па­раметров (для обеспечения непрерывности цикла)

дол­жно отдать некоторое количество теплоты Q 2 холодильни­ку. Основываясь на теплородной теории теплоты, Карно полагал, что «падение теплородной субстанции», обуслов­ленное разностью температур нагревателя и холодильника, аналогично падению воды с более высокого уровня на низ­кий. Так что работа определяется перепадом между темпе­ратурами теплорода в нагревателе и холодильнике.

Однако, считая теплород сохраняющейся субстанцией, Карно при­шел к ошибочному выводу, что все количество теплоты Q 1, взятое у нагревателя, отдается холодильнику. Карно ввел для характеристики тепловой машины понятие коэффициента полезного действия (КПД), рассматриваемого как отноше­ние работы, совершаемой рабочим телом, к количеству теп­лоты Q1 взятой у нагревателя: КПД = (A /Q 1)100% .

Хотя Сади Карно не определил величину КПД идеальной обра­тимой машины, и сама его книга [38] содержит в себе все­го 45 страниц, но Карно пришел к совершенно верному вы­воду о том, что КПД идеальной машины зависит только от температур нагревателя и холодильника, а КПД любой другой машины всегда меньше КПД идеальной тепловой ма­шины. Сади Карно положил начало новому методу рассмот­рения превращения теплоты и работы друг в друга в мак­роскопических системах, в первую очередь в тепловых машинах, и тем самым явился основателем науки, которая впоследствии была названа Уильямом Томсоном «термо­динамикой».