У першого початку цікава і довга історія. Тут, однак, викладається лише кінець її.

 Принцип еквівалентності між теплотою і роботою. Багато осіб брало участь у відкритті першого початку, але ми можемо зупинитися тільки на Ю. Н. Майера (1814 - 1878) і Дж. П. Джоуле (1818 - 1889).

Майєр за освітою і фахом лікар. Майєра вразила світла венозна кров у жителів острова Ява (1840). У європейців вона темна. Він пояснив це розходження: внаслідок високої температури тропіків організм повинен виробляти менше теплоти для покриття втрат, ніж при більш низькій температурі в Європі. Тому в умовах тропіків артеріальна кров має менше раскисляться, ніж в умовах європейського клімату.

На перший погляд може здатися, що спостереження Майєра не мають ніякого відношення до дії теплових машин. Але це не так: Майер слідував за Лавуазьє.

За Лавуазьє, людський організм - теплова машина. У Майера і виникла думка: чи не зміниться кількість теплоти, виділеної організмом при окисленні одного і того ж кількості їжі, якщо організм крім виділення теплоти виконує ще й роботу. Якщо кількість теплоти не зміниться, то з одного і того ж кількості їжі можна отримувати менше, то більша кількість теплоти. З проведеної організмом роботи знову можна отримати теплоту, наприклад тертям. Якщо кількість теплоти зміниться, то у роботи і теплоти один і той же джерело - окислена в організмі їжа.Тоді робота і теплота можуть перетворюватися один в одного. Майєр приходить до найважливішого для термодинаміки висновку: «Теплота і рух перетворюються один в одного» - і ставить перед собою подальшу завдання: «Але ми не маємо права ще зупинятися на цьому. Ми повинні дізнатися, скільки потрібно роботи для отримання певної кількості теплоти, і навпаки. Іншими словами: закон незмінного кількісного відношення між рухом і теплотою повинен бути виражений також числовим чином».Це число - відношення кількості роботи (вираженої в якихось одиницях) до кількості теплоти (вираженої в якихось одиницях) - називається механічним еквівалентом теплоти.

Для знаходження цієї величини треба провести досліди з будь закритою системою. Вона повинна здійснити цикл, обмінюючись теплотою і роботою з іншими системами.

Після закінчення циклу в самій системі змін немає і бути не може. Таким чином, система тільки перетворює теплоту і роботу один в одного. Після закінчення циклу сама система випадає з термодинамічного розгляду. У цьому зручність циклів. Але без системи неможливі перетворення теплоти і роботи.

Нехай ніхто не надумає обчислювати механічний еквівалент теплоти, розглядаючи некруговые процеси.

Майєр обчислив (1842) механічний еквівалент теплоти для циклу. Сам Майєр дослідів не проводив. Він скористався результатами робіт, які були виконані не пізніше 1823 р. Вся підготовча робота для відкриття закону була закінчена за 20 років до Майєра.

Не було тільки одного, але найважливішого і необхідного розуміння сенсу отриманих результатів.

Закритою системою було повітря. У початковому своєму стані він мав тиск 1 кгс/см2) і температуру 0° С. Система перебувала в стані незаторможенного внутрішнього механічного рівноваги і незаторможенного внутрішнього термічної рівноваги. Повітря в початковому стані займав об'єм один кубічний метр. Повітря знаходився в посудині, герметично закритому рухомим поршнем. Поршень пересувався без тертя. Посудину і поршень утворювали межі системи. Припишемо посудині і поршня зникаюче малу масу, стало бути, зникаюче малу загальну теплоємність.

Цикл складався з трьох стадій. Перша стадія. Знижують температуру повітря на 1° С при постійному тиску. Система віддає термостатам кількість теплоти, що дорівнює загальній теплоємність повітря при постійному тиску. Підвішений вантаж виробляє над системою роботу.Її кількість обчислюють по рівнянню (4). Зміна (зменшення) обсягу одно, як встановив ще (1802) Гей-Люссак, 1/273 початкового об'єму повітря.

Друга стадія. Повітря в приладі Гей-Люссака розширюється до початкового об'єму. Балони в приладі різної ємності: більший - 272/273 м3, менший - 1/273 м3. В більший балон поміщають все повітря, який брав участь у першій стадії, при температурі 1° С. Менший балон евакуйований. Після відкриття крана і перепуску повітря з подальшим встановленням незаторможенного внутрішнього механічного рівноваги і такого ж термічної рівноваги температура повітря після розширення залишиться рівною - 1°С.

Щоб обчислити механічний еквівалент теплоти, Майєру потрібен був лише результат досвіду Гей-Люссака. Але Майєр пояснив також цей досвід. Об'ємна робота при розширенні газу в досвіді дорівнює нулю, по постановці самого досвіду. Природа газу така, що (див. главу 4) при адіабатичному розширенні газу без здійснення роботи температура газу не змінюється.

Висловлене положення тим точніше, чим менше щільність газу. Воно стає зовсім точним при зникаюче малої щільності газу. Якщо досвід Гей-Люссака зрозумілий, то для його проведення годиться вже описаний посудину з поршнем. Треба тільки подбати про адіабатичному протіканні досвіду. Треба дати газу розширитися без протидіє сили на зовнішній поверхні поршня. Після закінчення другої стадії повітря має температуру - 1° С і обсяг один кубічний метр.

Третя стадія. Стопорять поршень і підвищують (звичайно, при постійному об'ємі) температуру повітря на 1° С, Об'ємна робота дорівнює нулю. Кількість теплоти, отриманої системою, одно загальної теплоємності повітря при постійному обсязі. Після закінчення третьої стадії повітря має температуру 0° С і обсяг один кубічний метр. Цикл закінчений.

На першій стадії циклу система віддала кількість теплоти, що дорівнює загальній теплоємність повітря при постійному тиску. На другій стадії система не отримувала і не віддавала теплоти - адіабатичний процес.

На третій стадії система отримала кількість теплоти, що дорівнює загальній теплоємність повітря при постійному обсязі. Сумарно в циклі система віддала теплоту. Сумарна кількість відданої теплоти дорівнює різниці між теплоємність повітря при постійному тиску і теплоємність повітря при постійному обсязі.

Тільки на першій стадії процесу об'ємна робота відмінна від нуля. На другій стадії кількість об'ємної роботи дорівнює нулю через розширення без протидіє сили; на третій стадії - через постійності об'єму. На першій стадії об'єм повітря зменшився. Підвішений вантаж опустився і здійснив роботу над системою. Сумарно: у циклі система віддала термостатам теплоту, підвішений вантаж опустився і здійснив роботу над системою.

У розпорядженні Майера були дані Делароша і Берара про теплоємності повітря при постійному тиску. Теплоємність повітря при постійному обсязі Майєр обчислив по рівнянню Лапласа для швидкості звуку в повітрі.

Таким чином, Майєр міг знайти і значення механічного еквівалента теплоти. Йому треба було тільки розділити загальну для всього циклу кількість роботи, вчиненої над системою, на сумарне для всього циклу кількість відданої системою теплоти. Як все це дотепно і красиво!

Сучасні експериментальні дані дозволяють незрівнянно точніше обчислити значення механічного еквівалента теплоти, ніж це могло вийти у Майера: (сумарна кількість роботи в круговому процесі) : (сумарна кількість теплоти в круговому процесі) = механічний еквівалент теплоти = 426,6, кгс . м/Ккал...........................(9)

Рівняння (9) виражає принцип еквівалентності.

Рис. 16. Досвід Джоуля. Рідина в посудині В перемішується при адиабатических умовах мішалкою Ad. Джерело роботи - вантажі Е і F. Вантажі, опускаючись, обертають мішалку. Над системою (рідина, посудину, мішалка) проводиться робота. Температура системи піднімається. Щоб відновити початкову температуру, через стінки судини при нерухомій мішалці передають теплоту джерела теплоти.Кількість теплоти вимірюють. Цикл закінчений, всі вимірювання зроблені. Залишається обчислити механічний еквівалент теплоти.

Систематичні (1843 - 1878) чудові експериментальні дослідження Джоуля довели сталість механічного еквівалента теплоти. Значення цієї величини не залежить ні від природи системи, ні від характеру циклу.

Необхідно тільки, як вже вказувалося, щоб система, здійснюючи цикл, була закритою і обмінювалася з іншими системами теплотою і роботою.

Тут можна описати тільки один досвід Джоуля. Цикл складався з двох стадій. У першій стадії при адиабатических умовах і при постійному атмосферному тиску над системою відбувалася робота (вантаж опускався). Температура системи підвищувалася.

У другій стадії система віддавала теплоту інших систем при постійному зовнішньому тиску і брала початкову температуру. Обидві стадії і становили цикл.

Джоуль не проводив другій стадії циклу. Загальна теплоємність при постійному тиску системи була відома. Тому Джоуль міг обчислити кількість теплоти, яку повинна була віддати система, щоб її температура прийняла первісне значення. Джоуль здійснював експериментально тільки першу адиабатическую стадію (рис. 16).

При підвищенні температури системи збільшується обсяг: система здійснює об'ємну роботу над постійним зовнішнім тиском (атмосфера - джерело роботи).

При зниженні температури об'єм системи зменшується: постійне зовнішнє тиск виробляє об'ємну роботу над системою. Але, по рівнянню (4), сумарна кількість об'ємної роботи для всього циклу дорівнює нулю. При обчисленні механічного еквівалента теплоти об'ємна робота тому не враховується. Враховується тільки робота опускаються вантажів.

Р. Е. Клаузіус (1822 - 1888) назвав принцип еквівалентності між роботою і теплотою першим началом термодинаміки.

«У всіх випадках кругових процесів, коли теплоти з'являється робота, витрачається пропорційне отриманої роботі кількість тепла, і, навпаки, при витраті тієї ж роботи виходить те ж кількість тепла».

Принцип еквівалентності поховав необґрунтовану надію створити термодинамічний вічний двигун.

Принцип виключає можливість провести цикл, при якому система сумарно чинила би роботу над іншими системами і сумарно не поглинала б еквівалентної кількості теплоти від інших систем. Неможливість чисто механічного вічного двигуна стала ясною набагато раніше. Ще у 1775 р. Французька академія наук оголосила, що вона ніколи більше не буде розглядати жодної машини, яка дає вічний рух. (Тут рух в сенсі роботи.) Побудова вічного двигуна неможливо!

 Слідства з принципу еквівалентності. Сумарна кількість теплоти в циклі не дорівнює в загальному випадку нулю. Приклади - цикли Майєра, Джоуля. Звідси висновок: теплота не є властивість системи. Кількість теплоти, одержуваної (віддається) системою, залежить не тільки від початкового і кінцевого станів системи, але і від шляху переходу її з початкового стану в кінцеве.

Після відкриття принципу еквівалентності не можна говорити, що система містить теплоту незалежно від того, речовина чи теплота або рух частинок тіла. Можна говорити тільки, що система отримує або віддає теплоту. Теплота, як і робота, не є властивість системи.

Про теплоту, як і про роботу, можна говорити тільки у зв'язку з процесом і під час процесу, який здійснює система, але не в зв'язку з її станом. «Ми повинні ретельно запам'ятати: ми знаємо про теплоту тільки те, що трапляється, коли теплота переходить від одного тіла до іншого. Ми не повинні припускати, що теплота, коли вона увійшла в систему, що існує в ній у вигляді теплоти» (Дж. К. Максвелл).

Теплота, як і робота - кількісна міра передачі руху від однієї системи до іншої, але руху вже безладного. Передається теплота хаотичними рухами молекул тіла, при відсутності пріоритетним напрямки в русі молекул. Така передача руху при контакті двох тіл з різними температурами.

Для передачі безладного руху немає необхідності навіть у безпосередньому контакті двох тіл з різними температурами. Тіла можуть бути роз'єднані. Рух передається через вакуум безладними електромагнітними хвилями. У цьому випадку говорять про променистої теплоти.

Робота - передача упорядкованого руху. Теплота - передача безладного руху. Але для систем, що складаються з невеликого числа молекул, поділ передачі на дві форми втрачає сенс. Вивчати подібні системи методами термодинаміки вже не можна.

У передачі безладного руху бере участь не менше двох систем. Одна з них - це вивчається нами система, та сама, яка бере участь у передачі упорядкованого руху. Друга система, на іншому кінці передачі, вимірює кількість теплоти. Більше нічого нас у другій системі не цікавить. Назва її на відміну від досліджуваної системи джерело теплоти. (Раніше автори називали його термостат.) Джерелами теплоти можуть бути, наприклад, суміш води і льоду, шматок міді з певною температурою. По зміні його температури (знаючи його теплоємність) вимірюють кількість переданої теплоти.Джерело теплоти її не містить.