Теплота тела всегда была важной характеристикой в оценке человеком того или иного предмета. Мы ощущаем степень нагретости тела при прикосновении и можем с достаточной уверенностью сказать, какое тело теплее, а какое холоднее. Уже давно люди задумывались над тем, что же представляет собой само понятие «тепло» и что происходит в процессе нагревания или охлаждения, однако точного ответа не находилось вплоть до XIX в.

Если с высокими температурами все было более или менее ясно («нагрев» Солнца сам по себе должен быть огромным), то вот относительно возможного уровня охлаждения единого мнения не было. С введением единой шкалы температур за нижний порог была взята температура в -273,16° С — т. н. абсолютный нуль. С этого момента тысячи физических лабораторий по всему миру пытались получить «абсолютно холодное тело», что, как оказалось, было глубочайшим заблуждением. Попытаемся доказать, что достижение абсолютного нуля невозможно в принципе.

Наверное, логичнее будет начать разговор с того, как именно сформировывалось представление людей о структуре вещества вообще, поскольку именно в этом заключается «тайна» теплоты. Многие века человек был вооружен только собственными глазами, а значит, проникнуть в тайны микромира не представлялось возможным. Однако мыслители в своих суждениях уходили гораздо дальше простой констатации увиденного. Так, еще в античные времена (V–IV в. до н. э.) философы Левкипп и Демокрит предположили, что любое тело состоит из каких-то простых составляющих — мельчайших частичек, различных в разных веществах.

Однако приоритет первого обоснованного учения о структуре вещества принадлежит М. В. Ломоносову — великому отечественному ученому, опередившему свое время во многих областях науки. Им впервые было доказано, что все без исключения тела состоят из корпускул — атомов и молекул. Так в XVII в. были заложены основы молекулярно-кинетической теории строения вещества — фундаментального учения физики.

На протяжении почти всего последующего века к выводам Ломоносова в научных кругах не возвращались. Только в XIX в. благодаря работам ученых-физиков Д. Джоуля, Л. Больцмана, Р. Клаузиуса и других вновь возродился интерес к внутреннему строению тел, и молекулярно-кинетическая теория стала стремительно развиваться и дополняться новыми данными и теоретическими выводами.

Ломоносов, как, впрочем, и Демокрит, только предположил, что вещество не монолитно, однако наглядного представления, способного убедить скептиков, предоставить не смог. Впервые увидел при помощи светового микроскопа мельчайшие составляющие вещества английский ботаник Броун, решивший посмотреть на взвесь цветочной пыльцы в капле воды. Неожиданность и удивление ожидали ботаника — мельчайшие пылинки приводились неизвестными силами в движение, не прекращающееся ни на минуту и совершенно беспорядочное. Таким образом в 1827 г. мир впервые узнал о броуновском движении.

Выводы, которые были сделаны из увиденного, говорили о следующем: мельчайшие составляющие любого твердого нерастворимого вещества в жидкости, как, впрочем, и в газе, находятся в постоянном движении, причем чем мельче частицы и выше температура среды, тем быстрее движутся атомы и молекулы. И наоборот, чем крупнее взвешенная частица, тем больше ее «бомбардируют» ее же «соотечественницы» со всех сторон одновременно, значит, и ее смещение будет в ответ минимальным. Жидкость и газ, являющиеся средой для взвешенных частиц, также состоят из молекул, подверженных броуновскому движению, поэтому при попадании под «их влияние» собственное непрерывное движение частиц твердого вещества становится заметнее.

Следующим наглядным подтверждением сложного строения вещества стало наблюдение диффузии — проникновения молекул одного вещества в пространство между частицами другого. Так, в стакане с водой капля чернил постепенно полностью растворяется, равномерно размещаясь по всему объему; пролитые в одной части комнаты духи начинают ощущаться в другой через считанные секунды. Все эти простые наблюдения опровергают представления о неделимости вещества.

Однако диффундировать могут не только «подвижные среды» — газы и жидкости, но и твердые вещества, хотя обнаруживается это далеко не так быстро. Для подтверждения сложного строения твердых тел был проведен следующий опыт. Две гладко отшлифованные пластины из золота и свинца были наложены друг на друга под значительным давлением. Спустя 5 лет пластинки исследовались, и обнаружилось то, что и ожидалось, — частицы свинца проникли в золотую пластинку на глубину в 1 см, частицы же золота — на аналогичную глубину в пластину свинца. Таким способом было выявлено, что процесс «обмена составляющими» протекает между твердыми телами вопреки воздействию всемирного тяготения, нарастая по мере увеличения нагрева тел.

Вернемся к непосредственному обсуждению вопроса о теплоте. Конечно, люди научились пользоваться энергией Солнца задолго до того, как появилось само понятие «энергия», добыча огня, обогрев и приготовление с его помощью пищи были известны еще в первобытном обществе. Кем-то впервые было замечено, что добавление в костер разожженного ударом молнии «топлива», коим являлось сухое дерево, увеличивает время горения и интенсивность выделения тепла.

Только во II в. грек Герон попытался впервые применить теплоту сгорания топлива на производство работы. Им был сконструирован первый паровой двигатель, однако столь несовершенный, что остался незамеченным в научных кругах и не использовался в быту. И Леонардо да Винчи, и Ньюкомен, и Папен пытались соорудить более совершенные «тепловые двигатели», однако первая удачная модель паровой машины была создана крестьянином-самоучкой И. И. Ползуновым, но его изобретение, к сожалению, также не получило распространения.

XVII столетие по праву называется веком пара, именно в это время английский физик Д. Уатт создал машину, коренным образом видоизменившую всю промышленность, а также транспорт, как водный, так и сухопутный.

С древнейших времен существовало множество самых невероятных предположений, пытавшихся объяснить природу пара. Одной из самых распространенных точек зрения было представление о невесомом «эфире», или «теплороде», способном перетекать из одного тела в другое и тем самым «передавать» тепло, соответственно, чем больше в теле теплорода, тем оно горячее. Поиски загадочного теплорода не принесли желаемого результата.