В связи с исключительной важностью данного особого заявления прервем ненадолго цитирование и прокомментируем его суть немного подробнее. В том числе подтвердим, что путаница в использовании названных сейчас “основных понятий в описании тепловых явлений” действительно имела место в науке на протяжении очень длительного периода и была в первый раз по-настоящему преодолена только к концу ХVIII века. “В первый раз” при этом потому, что с середины века ХIХ, как мы еще увидим, эта путаница вновь возродилась (причем уже на новом, гораздо более изощренном уровне) и длится с того времени практически до сих пор. Но пока коротко обсудим вместе с цитируемыми сейчас авторами достаточно простую ошибку начального этапа в истории формирования науки о теплоте, когда зачастую теплотой называлась именно сама температура. Ведущая роль в преодолении связанных с этим весьма существенным обстоятельством (а терминологическая путаница гораздо чаще является истинной причиной многих научных ошибок, чем это обычно принято думать) недоразумений, проявлявшихся, например, в широко распространенном мнении о том, что тела с более высокой температурой обязательно содержат, соответственно, и большее количество теплоты, принадлежит выдающемуся шотландскому ученому Джозефу Блэку. Именно он, выражаясь словами тех же Эйнштейна и Инфельда, “много способствовал делу разъяснения трудностей, связанных с обоими понятиями - понятием теплоты и понятием температуры” [6, С.35].
В качестве иллюстрации этого своего вывода они приводят, в частности, высказывание самого Блэка, в котором последний прямо критикует описанное сейчас распространенное заблуждение. Говоря, например, о вытекающем из такового мнении о принципиальном равенстве количеств теплоты в имеющих одинаковую температуру телах, Блэк подчеркивает, что “это означает смешивание количества теплоты в различных телах с ее общей силой или интенсивностью, хотя ясно, что это - неодинаковые вещи, которые всегда следует различать, когда мы рассуждаем о распределении теплоты”. Это различие,- комментируют приведенные слова Эйнштейн и Инфельд,- становится понятным из рассмотрения очень простого эксперимента. Чтобы изменить температуру килограмма воды от комнатной температуры до точки кипения, необходимо некоторое время. Гораздо большее время требуется для нагревания двенадцати килограммов воды в том же сосуде на том же пламени. Мы истолковываем этот факт как указание на то, что теперь требуется больше “чего-то”, и это “что-то” мы называем теплотой” [6, С.36].
Итак, согласимся пока полностью с цитируемыми авторами и будем считать вслед за ними температуру и теплоту двумя действительно “основными понятиями в описании тепловых явлений”. Какова же в таком случае истинная роль каждого из них в свете рассмотренных нами в предыдущем разделе общих физических закономерностей? Что касается температуры, то тут вроде бы все ясно - будучи по самой своей сути характеристикой “общей силы или интенсивности” рассматриваемого конкретного класса явлений, она так или иначе должна быть связана с понятием потенциала. И действительно - принятая сегодня физикой так называемая абсолютная шкала температур изначально вводилась именно как шкала “удельной” энергии, затрачиваемой или выделяемой при повышении или понижении температуры тела на одно деление этой шкалы. Ее автор Уильям Томсон прямо подчеркивает данное важнейшее обстоятельство в своей исходной для рассматриваемого вопроса статье “Об абсолютной термометрической шкале, основанной на теории Карно о движущей силе тепла и рассчитанной из наблюдений Реньо”, заявляя там буквально следующее: “Характерное свойство той шкалы, которую я теперь предлагаю, состоит в том, что... единица теплоты, опускающаяся от тела А с температурой Т по этой шкале к телу В с температурой (Т-1), должна создавать одно и то же механическое действие, каким бы ни было число Т. Такая шкала справедливо может быть названа абсолютной, поскольку... совершенно не зависит от физических свойств какого-либо вещества” [3, С.410,411].
Уточним в качестве небольшого комментария к последнему высказыванию, что термин “механическое действие” Томсон использует для обозначения того, что сегодня обычно называют механической работой (и что напрямую характеризует изменение собственно энергии). И добавим, что описанная им абсолютная шкала в широком диапазоне температур практически полностью совпадает с так называемой шкалой газового термометра, что и не удивительно - действие газового термометра основано на измерении, скажем, изменения объема нагреваемого газа (близкого по своим свойствам к идеальному) при неизменном его давлении, а в этих условиях происходящее увеличение объема, как известно, прямо характеризует саму совершаемую нагреваемым газом механическую работу! Она выражается в данном случае известной формулой dA=PdV, где P – давление, dV – элементарное приращение объема газа, dA – совершенная им при этом элементарная работа, и потому описанная газовая шкала основана, повторим, на измерении, в конечном счете, именно последней. Т. е. по глубинной своей сути отражает непосредственно энергетические изменения, происходящие при нагревании или охлаждении газа.
Таким образом, мы можем уже окончательно считать измеренную с помощью любой из рассмотренных шкал температуру именно энергетической характеристикой, конкретный смысл каковой, повторим, соответствует по своим глубинным свойствам именно потенциалу. Но если это действительно так, то становится полностью понятным истинный физический смысл и второй из двух названных выше основных тепловых характеристик - собственно количества теплоты. Ведь потенциал, напомним, это просто удельная энергия, связанная с перемещением из одной точки в другую определенного единичного заряда. Абсолютная температура, как мы видели, тоже исходно была определена как энергия, связанная с “перемещением” от “тела А к телу В” определенной “единицы теплоты”. А это значит, что единица теплоты - это и есть единица собственно “теплового заряда”! Сама же “тепловая энергия” нагретого тела E должна определяться в итоге по хорошо уже знакомой нам общей формуле, которая в данном конкретном случае приобретает при правильном выборе единиц измерения следующий несложный вид:
E = QT/2, (4)
где Q – содержащееся в рассматриваемом теле количество теплоты или собственно его “тепловой заряд”,
T – его абсолютная температура или “тепловой потенциал”.
Естественно, что данную формулу легко можно преобразовать и в другие хорошо знакомые нам выражения для энергии в целом, если использовать дополнительно понятие соответствующей емкости. В теории тепловых явлений само понятие емкости хорошо известно (почему мы и сделали с самого начала ставку именно на данную конкретную характеристику при исходном рассмотрении электромеханических аналогий) и носит здесь специальное название теплоемкости тела C, определяемой в простейшем случае, как и обычно, в виде отношения соответствующего заряда к соответствующему потенциалу: С=Q/T. При этом опять же нужно иметь в виду, что если сама теплоемкость зависит от температуры, то приведенное сейчас выражение определяет лишь среднюю теплоемкость тела, которая и входит в собственно формулу для его тепловой энергии:
E = QT/2 = CT2/2 = Q2/2C. (5)
Важно также подчеркнуть теперь особо, что во всех сформулированных сейчас выводах нет ничего по-настоящему нового – они отнюдь не являются нашим собственным “открытием”, а хорошо известны мировой науке уже почти две сотни лет. Действительно первым их автором следует считать величайшего ученого начала ХIХ века Никола Леонара Сади Карно, еще 1824 г. сформулировавшего практически все сейчас нами сказанное. И потому описанную выше тепловую энергию вообще нужно называть по справедливости попросту “энергией Карно”, имея в виду его безусловный приоритет в открытии таковой! Именно ссылка на его теорию, напомним, фигурирует, в частности, и в названии той самой исходной статьи У. Томсона, в которой впервые вводится понятие абсолютной температуры, что тоже далеко не случайно - Карно вообще предвосхитил многие выводы всей настоящей статьи в целом, о чем мы еще поговорим подробно в специальном историко-научном приложении к ней. Но пока подчеркнем лишь следующую наиболее важную в историческом плане мысль, ради которой и затеян весь данный особый разговор - современная термодинамика, на словах вроде бы восхваляющая выдающиеся научные достижения Карно, на деле же со всеми описанными сейчас его выводами абсолютно не согласна! И главное - она категорически возражает против буквально напрашивающейся, исходя из рассмотренной в предыдущем разделе универсальной физической логики, трактовки важнейшего понятия “количество теплоты” как определенного теплового заряда, считая эту характеристику по ряду причин самой же энергией!
Тем самым термодинамика по сути дела вновь смешивает, как уже говорилось, понятия теплоты и температуры, придавая обеим этим характеристикам принципиально одинаковый энергетический смысл - в некоторых вариантах теории их вообще измеряют сегодня в одних и тех же энергетических единицах! Но об этом речь еще впереди, ибо именно о причинах данного весьма странного решения современной термодинамики, изгоняющего по сути дела из науки о тепловых явлениях само фундаментальное понятие заряда, и пойдет теперь откровенный разговор во всей остающейся части статьи. Для начала же посмотрим, что думают по этому поводу те же Эйнштейн и Инфельд, книгу которых “Эволюция физики” мы начали подробно цитировать выше.