Дослідники виявили переходи теплоти (прихованої теплоти), які не супроводжувалися змінами температури тіла. Інші досліди показали, що температура тіла може змінитися і без переходу теплоти. Подібний процес був у середині 19 ст. названий адіабатичним (грецьке слово adiabatos - непереходящий). Теорія теплороду зіткнулася з великими, часом непереборними труднощами при поясненні адиабатических процесів. Ця теорія померла в 40-х роках 19 століття, а задовільного пояснення не дала і, головне, не могла дати.

Рис. 11. Повітряне кресало, винайдене в 1803 р. Трубка А закрита з одного кінця і забезпечена поршнем Ст. Коли поршень швидко вдавлюють, повітря в трубці сильно нагрівається. Трут З запалюється.

Повітряне кресало. У 1803 р. французький робочий самостійно винайшов повітряне кресало. Задовго до винаходу повітряного кресала у Франції воно було широко поширене в Південно-Східній Азії. Повітряне кресало (рис. 11) - це трубка, закрита з одного кінця і обладнана поршнем. При швидкому вдавлюванні поршня повітря в трубці нагрівається і труть, прикріплений до поршня, запалюється. В сучасному повітряному (газовому) кресало (рис. 12) вдалося підвищити температуру до 10 000' С і тиск до 10 000 кгс см2.Підвищення температури при вдавлюванні поршня в повітряному кресало знайшло велике технічне застосування в двигуні Дизеля.

Рис. 12. Сучасне газове кресало. В сталевої трубки А може переміщатися сталевий поршень Ст. В трубці знаходиться газ при атмосферному тиску. Коли затвор Із відкривають, стиснене повітря виходить з судини D і повідомляє прискорення поршня Ст. Поршень набуває швидкість в кілька десятків метрів в секунду і адіабатично стискає газ в трубці А. В залежності від тиску повітря в D газ в трубці нагрівається до 8000 - 10 000' З, і тиск підвищується його до 7000 - 10 000 атм.

Поршень пересувається в кресало швидко, і обміном теплотою між кресалом і навколишнім середовищем можна нехтувати. Стиснення повітря в кресало - адіабатичний процес. Теорія теплороду повинна була пояснити, чому при адіабатичному вдавлюванні поршня температура повітря в кресало підвищується. У чому були труднощі пояснення? При адіабатичному стисненні повітря кількість теплоти в ньому залишається постійним. Звідки ж підвищення температури? Відповідь: при стисненні повітря теплота відділяється від матерії, подібно до того, як з просоченою водою губки витискається вода.Відокремилася теплота і підвищує температуру повітря.

Ще до винаходу повітряного кресала в Європі було відомо, що стиснене повітря, що виходить в атмосферу, охолоджується. Це пояснювали тим, що повітря, розширюючись, всмоктує теплоту і температура його знижується. Прихильники такого пояснення пропонували і спосіб його перевірки: відділення теплоти від матерії при стисненні повітря (газу) означало зменшення теплоємності (даної маси) газу при зменшенні об'єму; всмоктування теплоти матерією при розширенні означало зростання теплоємності при збільшенні обсягу.

Рис. 13.Досвід Гей-Люссака. У скляному двенадцатилитровом балоні А знаходиться повітря, з такого ж балона В викачано повітря. З і D - чутливі термометри. Після відкриття крана Е повітря переходить в балон, поки в обох балонах не встановлюється однаковий тиск.Температура в балоні А знижується рівно на стільки ж, наскільки вона підвищується в балоні В. Якщо маси газу, що знаходяться в обох балонах, змішати, то температура розширеного газу дорівнюватиме первісній температурі газу, що мав менший обсяг. Гей-Люссак був прихильником теорії теплороду.Гей-Люссак і перепускал газ з одного балона в інший, щоб не втратити теплорода з розширюється газом.

 Досвід Гей-Люссака. У 1807 р. Ж. К. Гей-Люссак (1778 - 1850) експериментально перевірив (рис. 13) пояснення, пропоноване теорії теплороду. Гей-Люссак і сам був її прихильником. Досвід Гей-Люссака став знаменитий в історії термодинаміки. Видатний французький математик А. Пуанкаре (1854 - 1912) запитав: «Що таке хороший досвід? Це такий досвід, який ознайомлює нас більше, ніж про окремий факт; це такий досвід, який дозволяє нам передбачити, який дозволяє нам узагальнювати».

Досвід Гей-Люссака - хороший досвід.

Досліди з воднем і діоксидом вуглецю дали той же результат. Температура газу в балоні, куди входив газ, підвищувалася; температура газу в балоні, з якого виходив газ, знижувалася. Зниження температури в одному балоні дорівнювала її підвищення в іншому. Після змішування обох мас газу в двох балонах температура розширеного газу була дорівнює первісній температурі газу, що мав менший обсяг. Результати дослідів Гей-Люссака суперечать поясненням, яку він перевіряв і хотів підтвердити. Але ні Гей-Люссак, ні два інших видатних дослідника, у присутності яких було проведено досвід, П.С. Лапласа і К. К. Бертолле (1748 - 1822), не зрозуміли сенсу досвіду.Всі троє дивувалися, чому один і той же газ, однаково стислий, розширюючись, охолоджується, якщо його випускати прямо назовні, в атмосферу, і не охолоджується, якщо його випускати в іншу посудину.

При випуску газу в атмосферу він, розширюючись, здійснює роботу над джерелом роботи, самою атмосферою. При перепуске газу з однієї судини в іншій немає жодних змін у джерелі роботи: робота дорівнює нулю. У досвіді Гей-Люссака закритою системою був весь газ в обох судинах. Межі системи проходили по оболонці обох судин. Але ця нерухома кордон переривала зв'язок між закритою системою і джерелом роботи - атмосферою. Постановка досвіду така, що робота не може не дорівнювати нулю. Минуло 35 років, перш ніж Ю. Н.Майер (1814 - 1878) все це зрозумів і правильно витлумачив досвід Гей-Люссака. Але за ці роки провели та інші досліди. Одні з них говорили на користь теорії теплороду, інші - проти неї.

 Теплоємність газів при постійному тиску і при постійному обсязі. Блек, ввівши поняття про теплоємності тіла, мовчазно приймав, що при підвищенні температури тиск на тіло залишається постійним. (Блек розглядав рідкі і тверді тіла.) Але при дослідженні теплоємності газів стало очевидним: теплоємність газу залежить від того, чи підвищується температура газу при його постійному тиску або при постійному його обсязі.

У 1813 р. Ф. Деларош і Ж. Е. Берар вперше отримали надійні значення теплоємності газів при атмосферному тиску. Але, вимірюючи теплоємність повітря при підвищеному тиску, вони помилилися і уклали, що теплоємність даної маси повітря збільшується зі збільшенням його обсягу. Деларош і Берар з торжеством заявили: «Всі знають, що при стисненні повітря виділяється теплота. Це явище вже давно пояснювалося передбачуваним зміною теплоємності повітря. Але це пояснення базувалося на простому припущенні, не мав прямого підтвердження.Нам здається, що отримані нами результати усувають всякі сумніви, які можна висунути проти цього пояснення».Деларош і Берар щиро помилялися.

За рівнем експериментальної техніки 19 ст. вимірювання теплоємності газу при постійному об'ємі треба було проводити при малій щільності газу. Але тоді власна теплоємність газу становить малу частку від теплоємності посудини, в якому укладено газ, і результат малонадежен. Тому для термодинаміки удача, що в 1816 р. Лапласа вивів рівняння для швидкості звуку в газі. У це рівняння входить відношення теплоємності газу при постійному тиску до теплоємності (рівної маси) газу при постійному об'ємі. Обчислення теплоємності газу при постійному об'ємі стало можливим.

 Підвищення температури твердих тіл при ударі і терті. Розглянемо явища, вкрай неприємні для прихильників теорії теплороду.Підвищення температури твердого тіла при ударі теорія теплороду ще пояснювала з тих же позицій, що підвищення температури при стисненні газу. Пояснення ніби підтверджували досліди Бертолле (1809). Він знайшов, що температура металу, що зазнає ударів, підвищується тільки тоді, коли обсяг металу при цьому зменшується. Після перших ударів, коли обсяг став мало зменшуватися, підвищення температури теж майже не спостерігалося. Але як же бути з підвищенням температури твердого тіла при терті?Важко було припустити, що при терті об'єм тіла міг зменшитися. У це місце Б. Румфорд (1753 - 1814) і направив свій удар. У 1798 р. Румфорда спостерігав підвищення температури при терті тупого свердла про дно порожнього металевого циліндра.

У 20 ст. історик науки напише: «До 30-м рокам минулого століття більшість досвідчених вчених мучились сумнівами щодо природи теплоти... Теорія теплороду пояснювала майже всі явища, за винятком теплоти, яка виділяється при терті... Теорія, яка розглядала теплоту як рух, чудово пояснювала виділення теплоти при терті і ударі. Але ця теорія майже нічого не пояснювала».

Борошна вчених, пов'язані з невирішеною проблемою природи теплоти, ще збільшив інше питання. Його поставили парові машини.

Рис. 14. «Сцена біля залізної дороги». В. Р. Перов (1860 р.). Картина передає захоплення і подив людей, які вперше побачили на залізниці паровоз.

 Парові машини. Парові машини були поширені в Англії ще у другій половині 18 ст. Після наполеонівських війн все більше парових машин працювало в Європі. У 1830 р. з'явилися перші паровози в Англії. До 1842 р. вони були вже у всіх європейських країнах. Слушною є думка, що паровози вплинули на уми більше, ніж парові машини. «Парова машина не нав'язлива. Щоб побачити парову машину, треба захотіти її побачити. Паровоз ж нав'язливий: він змушує на себе дивитися. Паровози негайно стали предметом подиву і цікавості для всіх, хто побачив їх в перший раз».

Ніхто не сумнівався, що для роботи парової машини потрібна теплота. Сама стара назва «вогняна машина» говорило про це. Але який зв'язок між роботою і теплотою? Це і є друге питання, який додався до питання про природу теплоти.

У 1824 р. французький інженер Саді Карно (1796 - 1832) першим почав вирішувати питання про зв'язок між роботою і теплотою. Він розібрав питання і геніально вірно, і помилково. Помилка була викликана тим, що Карно приймав теорію теплороду. До кінця свого короткого життя він відмовився від цієї теорії. Карно не допускав і думки про виробництві паровими (тепловими) машинами роботи з нічого. Тому він повинен був шукати, звідки береться робота, що є її еквівалентом. Карно був обізнаний у розрахунках водяних двигунів, вони тоді переважали у Франції. Він порівнює падіння води і перехід теплоти.Щоб водяний млин могла молоти зерно - працювати, вода повинна падати з високого рівня на низький. Щоб теплота могла здійснювати роботу, вона теж повинна переходити з високого рівня на низький. Різниця висот для води відповідає різниці температур для теплоти. Порівняння помилкове, але ідея про необхідність двох температур вірна і геніальна. З теорії Карно для виробництва роботи теплової машиною необхідні, принаймні, два термостата з різними температурами. Суть теорії Карно назвали згодом принципом Карно. Приватний приклад здійснення об'ємної роботи (глава 1) узгоджується з цим принципом. На основі свого принципу Карно розібрав дію теплових машин - в цьому його величезна заслуга. Але про це в іншій главі. В ній викладемо, що сталося в термодинаміці в 50-х роках 19 ст. Але раніше розповідь про події 40-х років 19 ст.

Рис. 15. Якби з якоїсь причини зникли всі описи, всі креслення парової машини і з усіх малюнків залишився тільки цей, то він вірно доніс до людей основну думку Карно: для дії теплової машини потрібні два джерела теплоти з різними температурами - нагрівач (вогонь) і холодильник (труби).