1.2. Природа теплоти. Принцип еквівалентності. Закон збереження енергії

Ще з часів античності існували дві теорії природи теплоти. Згідно з однією з них, теплота – це речовина (що характеризується такими поняттями, як флюїд, субстанція, флогістон, теплород); згідно з другою – це стан тіла. Думку про те, що теплота – це речовина, яка не породжується і не знищується, а тільки перерозподіляється між тілами, висловив ще у 1613 році великий Галілей. Але уявлення про теплоту часто бували вельми незрозумілими. Багато хто ототожнював вогонь з теплотою, інші ж вважали вогонь лише джерелом теплоти, а теплоту – якимось станом тіл. Ще Роджер Бекон (1214–1292) – англійський природознавець і філософ – та Йоганн Кеплер (1571–1630) – німецький астроном – визначили цей стан як стан руху внутрішніх частинок тіл. Саме це уявлення і було, мабуть, пануючим у XVII столітті. Такі погляди на природу теплоти висловлювали англійський філософ Френсіс Бекон (1561–1626) і французький вчений Рене Декарт (1596–1650). У 1620 році Ф. Бекон звернув увагу на те, що було споконвіку відоме будь-якому ковалеві: під сильними ударами молота стає гарячим холодний шматок заліза. Відомий спосіб отримання вогню тертям. Отже, ударами і тертям можна виробити теплоту, не отримуючи її від вже нагрітого тіла. Бекон з цього зробив висновок про те, що теплота є внутрішнім рухом найдрібніших частинок, з яких складається тіло, і температура тіла визначається швидкістю руху частинок у ньому. Такі погляди на природу теплоти були поширені й серед учених першої половини XVIII століття, отримавши в науці назву механічної теорії теплоти. Підтвердженням цього є те, що, коли в той час Паризька академія наук оголосила конкурс на кращу роботу про природу теплоти, Леонард Ейлер (1707–1783), який брав участь в конкурсі й отримав премію, писав: «Те, що теплота полягає в деякому русі малих частинок тіла, тепер уже достатньо зрозуміло».

Для обгрунтування і розвитку механічної теорії теплоти дуже багато зробив геніальний російський учений М.В. Ломоносов, який досконало володів науковим методом пізнання і завжди вчив, що спочатку необхідно провести спостереження, а потім на підставі спостережень встановити теорію, а потім перевіряти її на практиці.

Його вчення про теплоту викладене у праці «Роздуми про тепло і холод», написаній в 1744 році. Крім того, щодо питань теплоти він висловлювався в зауваженнях до другого видання «Вольфіанської фізики», у «Слові про походження світла» та інших працях. У першій тезі своєї праці Ломоносов формулює початкову точку зору: теплота, під якою розуміється і найвищий її ступінь, – вогонь, збуджується рухом. Рух якої-небудь матерії є достатньою підставою для виділення теплоти. Таким чином, він відкидає теорію теплороду і стверджує, що теплота має своєю основою лише рух матерії. У 1745 році він дав пояснення явищ теплопровідності, плавлення, випаровування і низки інших процесів на підставі уявлень про обертальний рух частинок, з яких складаються тіла. Ним був зроблений висновок про існування гранично низької температури тіла, відповідної спокою складаючих його частинок.

А ось в Петербурзькій академії наук праця М.В. Ломоносова «Роздуми про тепло і холод» була зустрінута з недовірою. Вона була розміщена в працях академії і викликала низку заперечень. Академія у своєму рішенні визнала недостатніми докази внутрішнього руху частинок, винесла Ломоносову догану за спростування деяких дослідів англійського фізика Р. Бойля і запропонувала переробити дисертацію. Таким чином, ця робота, що випередила розвиток науки принаймні на сотню років, так і не знайшла розуміння і не була прийнята багатьма сучасниками ученого.

Але у другій половині XVIII століття взяла гору субстанційна, або, як ще часто кажуть, матеріальна, теорія теплоти, і перш за все завдяки роботам шотландського фізика і хіміка Джозефа Блека (1728–1799). Успіху цієї теорії сприяла також хімічна теорія «флогістону», запекло підтримувана німецьким лікарем і хіміком Георгом Ернестом Шталем (1670– 1734). Субстанційна теорія теплоти відстоювала існування флюїда спеціального роду, відповідального за теплові явища, так званого «теплороду», що вважався невагомим, розсіяним по всій матерії, здатним проникати в тіла, «поєднуватися» з ними і перетворювати тверді тіла на рідкі, а рідкі на газоподібні. У той час писалися рівняння такого типу: лід + теплород = вода, вода + теплород = водяна пара. Вмістом теплороду в тілі визначалася його температура. Процеси теплообміну були обумовлені переходами теплороду з одного тіла в інше. На основі уявлень про теплород сформувалися такі поняття, як «кількість теплоти», «теплоємність тіла» та ін. Теплота, що «поєднувалася» з тілом, не визначалася термометром, це «прихована  теплота», на термометр діє лише «вільна теплота». У 1780 р. Жан Поль Марат (1743–1793), майбутній діяч Великої французької революції, розвинув повну теорію теплороду.

М.В. Ломоносов (1711–1765) – великий російський вченийприродознавець, людина енциклопедичних знань, різносторонніх інтересів і здібностей, член Петербурзької академії наук. Оптика і теплота, електрика і тяжіння, метеорологія і мистецтво, географія і металургія, історія і хімія, філософія і література, геологія і астрономія – ось ті галузі, в яких залишив свій слід М.В. Ломоносов. У 1760 році він був обраний почесним членом Шведської академії наук, а в 1764 р. – членом Болонської академії. Саме М.В. Ломоносовим у 1744 р. був чітко сформульований закон збереження маси і руху як загальний закон природи: «Все перемены в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовоку пится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте... сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движу щее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколь ко сообщает другому, которое от него движение получает».

Та все ж механічна концепція теплоти повністю не зникла навіть у другій половині XVIII століття. Достатньо навести наступний уривок з мемуарів французьких учених Антуана Лавуазьє (1743–1794) і П'єра Симона Лапласа (1749–1827): «Серед фізиків немає згоди щодо теплоти. Багато хто з них розглядає її як флюїд, розсіяний по всій природі... Інші ж вважають її лише результатом невидимих рухів молекул, їх коливань на всіх напрямках, можливих завдяки порожнім проміжкам між молекулами. Цей невидимий рух і є теплота. Отже, на підставі закону збереження живої сили можна дати таке визначення: теплота – це жива сила, тобто сума добутків мас всіх молекул на квадрат їх швидкості». Вчені-природодослідники не втручалися в суперечку прихильників цих двох уявлень, обмежуючись зауваженнями типу «можливо, обидві теорії вірні».

Сучасник і друг Ломоносова академік Л. Эйлер так оцінив наукові праці великого російського вченого: «Усі записки Ломоносова стосовно фізики й хімії не лише хороші, але чудові, бо він з такою грунтовністю висловлює цікаві, абсолютно невідомі і нез'ясовні для найбільших геніїв предмети, що я цілком переконаний у вірності його пояснень. При цьому я готовий віддати п. Ломоносову справедливість, що він володіє щасливим генієм для відкриття фізичних і хімічних явищ, і бажано було б, щоб всі інші академіки були в змозі проводити відкриття, подібні до тих, які зробив п. Ломоносов». Самому М.В. Ломоносову Ейлер писав: «Кожен знає, що трактати про причини теплоти, які з'являлися до цього часу, ще не роз'яснили повністю цього предмета і ті, котрі займаються його дослідженням, заслуговують на найвищу похвалу. Вам не можна не подякувати за те, що Ви розсіяли морок, кий покривав досі це питання».

Те, що в цей період перевага надавалася флюїдній теорії, ймовірно, пояснюється тим, що для слабко розвиненої науки наочна гіпотеза, відповідна безпосередній інтуїції і така, що допускає прості аналогії, виявилася зручнішим евристичним засобом, ніж більш опосередковане математичне уявлення. Крім того, субстанційна теорія, якою б грубою вона не здавалася, дозволяла кількісно виміряти теплоту, тоді як механічна теорія була ще в початковій фазі, виключно якісній. Геніальні думки М.В. Ломоносова про молекулярний рух як джерело теплоти, про кінетичну природу теплоти в ширшому сенсі залишалися поза увагою широкої наукової громадськості, оскільки праці його до 1904 року перебували у забутті, а будучи свого часу опублікованими в Росії, не проникли в лабораторії Заходу.

Наприкінці XVIII ст. з'являються роботи, спростовуючі теорію теплороду. Найбільш відчутного удару по ній завдали експерименти, виконані у 1798 р. в Мюнхені американцем Бенджаміном Томпсоном (1753–1814), більш відомим у Європі під титулом графа Румфорда.

В експерименті Румфорда до внутрішньої поверхні гарматного ствола, що обертався навколо своєї осі, був притиснутий тупий різець. Румфорд виявив, що в результаті тертя різця по стволу температура ствола зростала внаслідок виділення теплоти. При цьому було встановлено, що теплота в цьому досліді може виділятися так само довго, як довго обертається гарматний ствол. Температура ствола була спочатку 16,7°С. Після 360 обертів свердла утворилося 837 гран (близько 52 грам) стружок і температура підвищилася до 54,4°С. Опустивши ствол у воду з температурою 15,6°С, Румфорд домігся того, що через дві з половиною години роботи свердла вода закипіла без нагріву вогнем. У своїй доповіді Королівському товариству 25 січня 1798 р. Румфорд говорив:

«Обдумуючи результати всіх цих дослідів, ми, природно, підходимо до кардинальної про блеми, що є часто предметом філософських побудов: що ж таке теплота? Можливо, це щось подібне вогненній рідині? Щось, що можна назвати теплородом?.. Роздумуючи із цього приводу, ми не повинні випускати з уваги вельми примітну обставину, а саме те, що джерело тепла, що виникає при терті в цих дослідах, уявляється, мабуть, невичерпним. Було б зайвим додавати, щось, що може безпе рервно поставлятися в необмеженій кілько сті ізольованим тілом або системою тіл, не може бути матеріальною субстанцією, так що мені видається винятково важким, якщо не повністю неможливим, інше уявлення про ці явища, яке не було б уявленням про рух».

Бенджамін Томпсон (Румфорд) (1753– 1814) – відомий природодослідник і політичний діяч, за походженням американець, народився у штаті Массачусетс. У 1784 році вступив на державну службу в Баварії, де обіймав високі посади, сприяв кращій організації баварських військ, засновував школи для солдатських дітей, відкривав фабрики і взагалі зробив багато корисного країні, внаслідок чого у 1790 році за заслуги був наділений титулом графа Румфорда. У 1798 році Румфорд повернувся до Англії, де зайнявся науковою діяльністю і разом з Деві значно сприяв встановленню погляду на теплоту як особливий вид руху.

Отримання теплоти при терті не було новим явищем, та і самі досліди Румфорда також були зовсім не новими. За два сторіччя до цього ще Джован Батиста Бальяні (1582–1666) за допомогою залізного диску, що швидко обертався, на який спиралася залізна посудина з плоским дном, примушував кипіти воду у посудині. Проте досліди Бальяні, описані ним у листі Галілею від 4 квітня 1614 р., але опубліковані лише у 1851 р., тоді ще не були відомі, так що досліди Румфорда справили велике враження, причому не стільки сам факт отримання теплоти тертям, скільки величезна кількість теплоти, яку можна таким чином отримати. До речі, у своїх дослідах Румфорд вживав заходів щодо ізоляції свердла і ствола з тим, щоб виключити надходження теплороду, цієї «субстанції теплоти», звідки-небудь ззовні.

Хемфрі Деві (1776–1829) – знаменитий англійський хімік та фізик, засновник електрохімії, вчений, який відкрив багато нових речовин та хімічних елементів. У перші роки ХІХ століття Деві захопився вивченням дії електричного струму на розплавлені солі та луги. Тридцятирічний вчений зумів протягом двох років одержати у вільному стані шість раніше невідомих металів: калій, натрій, барій, кальцій, магній і стронцій.Це стало найвидатнішою подією в історії відкриття нових хімічних елементів. У 1810 році Деві, використовуючи потужну електричну батарею із 2 тисяч гальванічних елементів, одержав електричну дугу між двома вугільними стержнями, з'єднаними з полюсами батареї. Разом з М. Фарадеєм у 1815 році він сконструював безпечну рудникову лампу з металевою сіткою, що врятувала життя багатьом шахтарям. У 1818 році Деві одержав у чистому вигляді ще один лужний метал – літій. Деві пробував розкласти електролізом багато із природних сполук, у тому числі глинозем. Він був упевнений, що і в цій речовині міститься невідомий метал. Вчений писав: «Коли б мені пощастило одержати металеву речовину, яку я шукаю, я б запропонував для неї назву – алюміній». Він зумів одержати сплав алюмінію із залізом.

Одночасно з роботою Румфорда сильного удару по теорії теплороду завдали досліди англійського вченого Хемфрі Деві, який показав, що два шматки льоду, або жиру, або воску можна розплавити простим тертям один об одний, без дотику до якого-небудь більш нагрітого тіла. Ці досліди і спостереження говорили про те, що теплота і робота, ймовірно, одне і те ж. Але, поколивавши засади теорії теплороду, ці вчені не змогли її відкинути, не знайшовши доказів еквівалентності перетворення механічного руху в теплоту.

У 1824 році двадцятивосьмирічний французький інженер Саді Карно опублікував чудову працю «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу», в якій розглянув у загальному вигляді питання про «отримання руху з теплоти». У своїх міркуваннях Карно дотримувався теорії теплороду, проте в пізніших дослідженнях він відмовився від цієї теорії, визнавши взаємоперетворення теплоти і механічної роботи. Карно вперше приблизно визначив механічний еквівалент теплоти. У додатку до своєї єдиної книги, який своєчасно не було опубліковано (рукописи Карно стали відомі лише в 1878 р.), Саді Карно писав: «Теплота – це не що інше, як рушійна сила, або, точніше, рух, що змінив свій вигляд. Це рух частинок тіл. Всюди, де відбувається знищення рушійної сили, виникає одночасно теплота в кількості, точно пропорційній кіль кості зниклої рушійної сили. Навпаки, завжди при зникненні теплоти виникає рушійна сила. Таким чином, можна висловити загальне положення: рушійна сила існує в природі у незмінній кіль кості; вона, власне кажучи, ніколи не створюється, ніколи не зни щується; насправді вона міняє форму, тобто викликає то один тип руху, то інший, але ніколи не зникає». Можна вважати, що Саді Карно висловив у загальному вигляді закон збереження енергії.

Але на його роботи сучасники не звернули тієї уваги, якої вони заслуговували. Знадобилися десятиліття, щоб стало можливим утвердження закону збереження і перетворення енергії. Ще приблизно 30 років після дослідів Румфорда і Деві теорія теплороду, що підправлялася і «уточнювалася», продовжувала займати пануюче становище у поясненнях причини виникнення теплоти. Явища нагріву і охолодження газу при стисненні та розширенні також тлумачилися прихильниками теплороду як підтвердження їх теорії. Теплород, говорили вони, міститься в газі, як сік в апельсині. Стиснеш апельсин – з нього потече сік. Так само при стисненні газу з нього виділяється теплород, що проявляється у вигляді нагріву. Ще в 1829 р. французький фізик Жан Батист Біо (1774–1862) у другому виданні свого підручника, найавторитетнішого і повнішого загального курсу фізики того часу, писав, що причина виникнення теплоти при терті все ще невідома.

Німецький фізик Герман Гельмгольц першим висунув гіпотезу про те, що внутрішню причину взаємного перетворювання теплоти в роботу можна знайти (яким чином – він не вказав), звівши теплові явища до механічних, тобто до явищ руху.

Клаузіус Рудольф Юліус Еммануель (1822–1888) – видатний німецький фізик, творець термодинаміки. Після закінчення Берлінського університету через три роки після присвоєння йому ступеня доктора філософії опублікував (1850 р.) працю, в якій було дано узагальнення рівняння, що описує фазові переходи пара – рідина і рідина – тверде тіло (рівняння Клаузіуса–Клапейрона), і піддав нищівній критиці теорію теплороду, ґрунтуючись на дослідах Джоуля з взаємоперетворення теплоти і механічної роботи. У праці 1854 року Клаузіус ввів одне з найфундаментальніших понять фізики – поняття ентропії – і сформулював другий принцип термодинаміки. Підсумком досліджень Клаузіуса у термодинаміці став двотомник «Твори про механічну теорію тепла» (1864–1867), де викладені всі результати його робіт по термодинаміці, а також важливі роботи з кінетичної теорії газів. Саме він вперше ввів статистичні поняття і методи дослідження (наприклад поняття довжини вільного пробігу). Авторитет Клаузіуса у наукових колах був незмінно високий. Він був членом багатьох академій.

Шлях, яким це можна зробити, був знайдений в 1856 р. німецькими фізиками Августом Кренігом (1822–1879), а роком пізніше  – Рудольфом Клаузіусом (1822–1888). Основне положення теорії було сформульоване ще швейцарським вченим Даниїлом Бернуллі (1700–1782) у розділі X «Гідродинаміки» (1738 р.). Згідно з Бернуллі, теплота – це зовнішній прояв коливального руху молекул. На основі цієї гіпотези Даниїл Бернуллі тлумачив тиск газу як результат дії його молекул на стінки посудини внаслідок зіткнень. Ця теорія висувалася багато разів і після Бернуллі. У 1848 р. Джеймс Джоуль (1818–1889) також пояснював тиск газу за методом Бернуллі.

Майєр Юліус Роберт (1814–1878) – німецький лікар і фізик, що одним з перших встановив закон збереження енергії, правда, лише для теплових процесів.

Проте уявлення цих вчених залишалися виключно якісними, зокрема тому, що для поглибленого кількісного вивчення потрібна була надійніша теорія атомної будови речовини. До середини XIX сторіччя атомістика зробила такий крок вперед, що фізики вже могли з довірою її використовувати, і вона почала зливатися з механічною теорією теплоти в єдину кінетичну теорію газів. Засновником механічної теорії теплоти був Рудольф Клаузіус, який розпочав у 1850 р. свої класичні дослідження принципу еквівалентності теплоти і роботи, а також закону збереження енергії.

Механічна теорія теплоти прожила складне життя і набула права громадянства в науці лише на кінець XIX сторіччя, перш за все завдяки роботам німецького фізика-теоретика Макса Планка (1858–1947).

Для встановлення взаємозв'язків між теплотою і роботою повернемося до 40-х років XIX століття. Це був час, коли вченим належало осмислити той факт, що, окрім речовини, яка, змінюючись якісно, зберігає свою кількість, в природі існує ще щось інше, пов'язане з рухом матеріальних частинок і тіл, що теж підкоряється закону збереження і міняє свою форму. Цьому також послужили дослідження хімічної, теплової і механічної дії електричного струму в перші 40 років XIX століття. Слід зазначити і успіхи біології, в якій поступово формувалися уявлення про переробку в рослинах неорганічних елементів в органічні.

Вирішальну роль у встановленні цих взаємозв'язків історія відводить Роберту Майєру, Джеймсу Джоулю і Герману Гельмгольцу.

У 1840–1841 рр. на посаді суднового лікаря Майєр брав участь в плаванні на голландському кораблі до Батавії (острів Ява). Під час перебування в тропіках помітив зміну кольору венозної крові у своїх пацієнтів і на основі цих спостережень зробив висновок про існування зв'язку між споживанням їжі та утворенням теплоти в живому організмі. У 1841 році, повернувшись на батьківщину, Майєр написав статтю «Про якісне і кількісне визначення сил» і надіслав її видавцеві журналу «Annalen der Physik» І. Поггендорфу (ця стаття не була надрукована). Вона містила положення, близьке за змістом до закону збереження енергії. У наступній статті «Зауваження про сили неживої природи», опублікованій у 1842 році, Майєр багато уваги приділяє взаємоперетворенням механічної роботи і теплоти, стверджує, що існує певний кількісний зв'язок між висотою h, з якої падає тіло масою m, і виділеною під час удару об землю кількістю теплоти, говорить про «незруйновність» сил. У праці «Органічний рух в його зв'язку з обміном речовин» (1845 р.) Майєр чітко сформулював закон збереження енергії і теоретично розрахував чисельне значення механічного еквіваленту теплоти. За його уявленнями, рух, теплота, електрика – якісно різні форми «сил» (так Майєр називав енергію). Ідеї Майєра мали такий загальний і універсальний характер, що вони спочатку не були сприйняті сучасниками. Супротивники вишукували в роботах Майєра щонайменші неточності та невдалі формулювання, ставили під сумнів всі його наукові результати в цілому. Ця обставина, а також цькування його у зв'язку із запереченням пріоритету вченого у відкритті закону збереження і перетворення енергії сприяли тому, що роки з 1846 по 1850 були дуже важкими для Майєра. Щоправда, в останні роки життя Майєр відчув смак слави: у 1871 році він отримав медаль Лондонського королівського товариства, пізніше його нагородила Французька академія наук. Він став почесним доктором свого рідного університету в Тюбінгені.

Доказом існування кількісного співвідношення між «силами» різної природи, що приводять до виділення теплоти, зайнявся в 1843–1847 рр. Джоуль.

Він здійснив класичні вимірювання механічного еквіваленту теплоти, розробив термометри, які вимірювали температуру з похибкою до однієї двохсотої градуса, що дозволило йому виконувати вимірювання з найвищою для того часу точністю. Основною рисою Джоуля був суворий експериментальний підхід до цих явищ. Дослідна установка, що застосовувалася Джоулем, стала класичною. Ідея досліду полягала у нагріванні води в посудині за рахунок тертя з перемішуючою її крильчаткою, що приводилася в дію падаючими вантажами, і визначенні співвідношення між виконаною роботою і теплотою, що утворилася. Була встановлена загальна міра теплоти і роботи. Нагрівання 1 кг води на 1 градус виявилося рівноцінним підйому 1 кг вантажу на 460 м (за розрахунками Майєра роком раніше – на 365 м).

Джоуль Джеймс Прескотт (1818–1889) – англійський фізик, член Лондонського королівського товариства. Він зробив значний внесок у дослідження електромагнетизму і теплових явищ, у створення фізики низьких температур, в обгрунтування закону збереження і перетворення енергії, виявив явище магнітного насичення при намагніченні феромагнетиків.

У подальші роки Джоуль та інші дослідники доклали багатьох зусиль до того, аби уточнити значення теплового еквіваленту, довести його повну універсальність. Було доведено, що яким би способом не переходила робота в теплоту, кількість теплоти, що з'являється, завжди пропорційна витраченій роботі.

У червні 1847 р. Джоуль зробив доповідь на зборах Британської асоціації вчених, в якій повідомив про найбільш точні вимірювання механічного еквівалента теплоти. На слухачів доповідь не справила ніякого враження і не була належним чином оцінена ними, доки молодий і палкий Уїльям Томсон (майбутній лорд Кельвін) не пояснив своїм колегам значення робіт Джоуля. Ця доповідь стала поворотним пунктом в кар'єрі Джоуля. Він став одним з найавторитетніших вчених свого часу, володарем багатьох титулів і нагород.

Відомий англійський вчений Джон Тіндаль (1820–1892), який видав у 1846 р. твори Роберта Майєра, характеризуючи праці Р. Майєра і Д. Джоуля, писав:

«Праці Майєра носять відбиток глибоко думного споглядання, яке набуло в умі автора силу безперечного переконання. Праці Джоу ля, навпаки, являють собою дослідні докази. Майєр, закінчивши теорію в умі, довів її до найбільшого здійснення; Джоуль же розро бляв теорію практично і дав їй твердість природної істини. Обидва вони заслуговують слави, яка не скоро зникне, тому що обидва вони брали участь у відкритті шляху, який веде до вірної оцінки загального запасу сил природи».

Не дивлячись на те, що Джоуль обгрунтував закон збереження енергії на досліді, він не дав у своїх роботах його виразного формулювання. Ця заслуга належить німецькому природодосліднику Герману Гельмгольцу, який у 1847 році в праці «Про збереження сили» виклав у найбільш загальному вигляді закон збереження енергії. 26-річний автор цієї праці був лікарем-хірургом гусарського ескадрону. Незабаром він розлучився з військовою службою і цілком присвятив себе науці.

Велике значення мав наведений у цій же праці доказ того, що процеси в живих організмах теж підкоряються закону збереження і перетворення енергії. У ній детально обгрунтований закон збереження енергії і вперше дано його математичне трактування, що підкреслює загальний характер цього закону. Надалі на долю інших вчених залишилися лише перевірка і прикладання принципу збереження і перетворення енергії. Успіх всіх цих досліджень привів до того, що закон збереження і перетворення енергії був загальновизнаний як фундаментальний закон природознавства.

Згідно з механічною теорією теплоти передача енергії від однієї системи до іншої або від одного тіла до другого відбувається тільки в двох можливих формах – у формі теплоти або у формі роботи. У першому випадку енергія передається у вигляді хаотичного (теплового) руху молекул і атомів без зміни форми руху в самому процесі її передачі. У другому випадку енергія, що перетворюється з одного виду в інший, передається у формі направленого руху. Передача енергії у формі теплоти виникає завжди за наявності різниці температур між тілами (зовнішній теплообмін) або між окремими частинами одного і того ж тіла (внутрішній теплообмін).

Гельмгольц Герман Людвіг Фердинанд (1821–1894) – один з найбільших німецьких учених XIX століття. Фізика, фізіологія, анатомія, психологія, математика. У кожній з цих наук він зробив блискучі відкриття, що принесли йому світову славу.

Вчення про теплоту остаточно оформилося в самостійну наукову дисципліну лише на початку ХХ століття.

Кількість енергії, переданої у формі хаотичного (теплового) руху частинок, називають кількістю теплоти Q, або теплотою, розуміючи під цим кінцевий результат теплообміну.

Іншими словами, теплота Q  є переданою від одного тіла до іншого певною кількістю енергії хаотичного молекулярного і внутрішньомолекулярного руху. При цьому теплоту, що підводиться, вважають позитивною, а що відводиться, – негативною.

Найбільш споживаними одиницями для вимірювання теплоти є калорія і джоуль. Калорія – це кількість теплоти, яку треба надати 1 г води, щоб нагріти його на один градус (1 кал ≈ 4,19 Дж).