Как мы чувствуем изменение температуры

Температура обычных вещей - это мера средней скорости движения атомов и молекул, из которых они состоят. Чем больше средняя скорость движения атомов и молекул, составляющих некоторый предмет, тем выше его температура. Нам кажется, что есть четкая взаимосвязь: если у чего-то высокая температура, то оно кажется нам горячим и наоборот. Таким образом, мы воспринимаем свои ощущения как весьма точные измерения. Однако, это не совсем так.

Если вы дотронетесь до куска металла или книги, только что вытащенных из морозилки, то металл будет казаться намного холоднее, чем книга. При этом металл и книга будут иметь одинаковую температуру, но металл будет казаться намного холоднее.

Металл - это вещество, которое очень хорошо проводит тепло, быстро его "забирает" у более теплых тел и быстро "отдает" тепло предметам, которые холоднее металла. А с бумагой всё совсем наоборот, она плохо проводит тепло, медленно его "отдает" и "забирает". Несмотря на то, что у металла и у книги одинаковая температура, движение молекул в наших руках намного быстрее поглощается металлом, чем бумагой. Металл заставляет температуру наших рук падать быстрее, из-за чего нам кажется, что металл холоднее. То, что мы чувствуем на самом деле - это температура наших рук. Наш внутренний термометр измеряет только свою собственную температуру (как кстати и любой другой термометр). Вы можете тактильно измерить температуру других вещей, обеспечив их контакт с Вашей кожей.

Термочувствительные нервы в нашей коже могут напрямую измерить только температуру самой кожи. Когда мы дотрагиваемся до чего-то, то не чувствуем его температуру, а ощущаем лишь воздействие данного объекта на нашу кожу.

Облако пара из Вашей кастрюли кажется намного горячее, чем горячий сухой воздух из печи, который на самом деле имеет большую температуру. Пар переносит намного больше молекулярного движения на Вашу кожу, чем воздух. Можно сказать, что горячее и холодное - это концепты, которые фундаментально отличаются от понятия высокой и низкой температуры. Горячий объект - это объект, который отдает много энергии, холодный - это объект, который отдает мало энергии. Ведь действительно, когда кто-то имеет много чего-то, то это не означает, что он много отдает.

Тактильные ощущения – это мощные источники, с помощью которых мы познаем окружающий мир и взаимодействуем с ним. Большинство из нас не задумываются об этом в повседневной жизни. Но утрата чувствительности в силу травм, операций или даже временной анестезии заставляет задуматься о том, что осязание – настоящий дар. И даже холод, который мы склонны ругать, когда замерзаем зимой на остановке, прекрасен тем, что он есть и доступен нашему телу. Но за счет чего же мы все-таки ощущаем перепады температуры?

Наше тело как саморегулирующийся термостат

Мы — теплокровны. Это означает, что в отличие от хладнокровных рептилий, у которых терморегуляцию осуществляет окружающая среда, наше тело способно поддерживать постоянную температуру. У человека этот показатель в норме находится в диапазоне 35-37 градусов по Цельсию. Для того, чтобы температура не колебалась в ту или иную сторону, организм обладает собственной системой треморегуляции, которая меняет свои настройки в зависимости от внешних условий. Именно это и обуславливает наличие у нас чувства тепла и холода, которые, кстати, свойственны и другим теплокровным животным.

Принцип осязания и температурной чувствительности

Субьективно мы позиционируем чувство тепла и холода как часть осязания. Но на самом деле это не совсем так. Впрочем, принцип остается один и тот же. Итак, раздражитель, воздействуя на нервные окончания, посылает сигналы по каналам центральной нервной системы в мозг. А тот, в свою очередь, дает свой ответ и заставляет организм реагировать соответствующим образом на раздражитель. Вот только кожные анализаторы, ответственные за боль или за ощущение твердости и мягкости предмета, чувствовать холод и тепло не могут. Для этого кожа оснащена особыми рецепторами.

Каково соотношение холодовых и тепловых рецепторов?

Наша кожа реагирует на перепады температуры неравномерно и весьма субъективно. Кто-то более термочувствителен, кто-то менее. Более того, зависит это от числа рецепторов и их локализации. Кстати, наука установила, что количество анализаторов, ответственных за чувство холода, гораздо больше, чем способных квалифицировать тепло. Причем эта разница весьма существенная. Всего рецепторов холода (телец Руфини) в нашем организме насчитывается около 250 тысяч. А количество тепловых (колбочек Краузе) не превышает 30 тысяч. Различаются они и по глубине расположения. Нервные окончания, ответственные за восприятие тепла, находятся в коже на глубине 0,17 мм, а – холода уже 0,3 мм.

Где ощущение тепла и холода наиболее выражено?

Тело человека ощущает температуру не везде одинаково. Это можно легко проверить. Достаточно прикоснуться к горячей или холодной поверхности различными частями тела. Ощущения будут иметь различную интенсивность. А вот наибольшей чувствительностью в этом отношении обладает кожа на лице и шее. Это, кстати, черта не исключительно человеческая. У очень многих животных чувствительность морды к температуре выше. Наибольшим количеством рецепторов тепла и холода насыщены такие участки лица, как губы и веки.

Какие температуры определяются человеком как тепло или холод?

При рассмотрении этого вопроса за нулевую точку отсчета следует брать нормальную температуру тела человека – 36,6 градусов. Тепло анализаторы лучше всего распознают при температурном разбросе от 20 до 50 градусов. Пиковая выраженность ощущений — от 38 до 43. А вот что касается холодовых нервных волокон, то они включаются в работу при температурах от 10 до 41. Наибольшая выраженность ощущений — от 15 до 34 градусов.

Острая пища и мятная прохлада

Думаю, что все мы много раз сталкивались с ощущениями, которые вызывает контакт языка с мятой, васаби или острым перцем. Про мяту принято говорить, что она «освежает», а любой, кто пробовал мятные жвачки скажет, что они вызывают эффект прохлады во рту (особенно если запивать их холодной водой или дышать при этом холодным воздухом). А про острую пищу мы можем сказать, что она обжигает нам язык, в английском же вообще слово «hot» означает как горячую, так и острую пищу. Причём мы так говорим не просто потому, что так «исторически сложилось», это является субъективным следствием наших собственным ощущений.

Дело в том, что во всех термочувствительных тканях есть специальные тепловые сенсоры, которые по сути являются к т.н. «механорецепторами». Термин «механорецептор» означает, что данный тип рецептора реагирует на изменения механических свойств мембраны, в которой он находится (жёсткость, вязкость, упругость, etc.). Мембрана же подчиняется привычным для нашего макромира правилам: при повышении температуры она «разжижается», а при понижении «грубеет». В свою очередь механорецептор — это трансмембранный белок, пространственная структура которого определяется жёсткостью окружающей его мембраны.

Если объяснять на пальцах, то «механорецептор повышения температуры» в неактивном «нулевом» положении пребывает в своего рода «стеснённом», «сжатом мембраной» состоянии. Как только нагретая мембрана теряет свою жёсткость рецептор «разжимается», а это приводит к возникновению сигнала от «рецептора тепла». Аналогично, «механорецептор понижения температуры» находится в неактивном состоянии при более «жидкой» мембране, а понижение температуры делает её более жёсткой, что приводит к изменению пространственной структуры и активации «рецептора холода».

В целом все термочувствительные рецепторы являются трансмембранными TRP-каналами, пропускающими катионы (TRP — Transient Receptor Potential). То есть в неактивном виде канал «закрыт», а его активация приводит к появлению поры, пропускающей катионы. Температурный интервал чувствительности всех рецепторов поделён между различными их типами на три промежутка.

Терморецепторы первого типа отвечают за распознавание температур гораздо выше температуры тела. Они предупреждают нас о том, что можно обжечься: при их активации человек почувствует резкую боль и инстинктивно попытается избежать контакта с источником тепла. Таким образом, их ещё можно причислить к «рецепторам боли», хотя с точки зрения биологии это звучит чертовски глупо;

Терморецепторы второго типа распознают околофизиологические температуры (то есть близкие к 36.6);

Наконец, рецепторы температуры третьего типа активируются температурами ниже физиологического уровня. Возбуждаемый или сигнал мы в итоге воспринимаем, как «холод».

Теперь перейдём к рассмотрению того, что происходит тогда, когда мы едим острый перец или жуём мятную жвачку. В данной случае, естественно, всё тоже определяется некими рецепторами: какие-то компоненты перца или мятной жвачки вступают с ними во взаимодействие, рецепторы активируются и докладывают, что «что-то происходит». В итоге мы чувствуем вкус острой пищи или мятную свежесть во полости рта.

А вот теперь самое интересное: оказалось, что в распознавании температуры и в распознавании острой пищи или чего-то вроде мяты участвуют одни и те же рецепторы!

Причиной специфического вкуса острого красного перца или перца халапеньо является алкалоид «капсаицин» и родственные ему соединения, находящиеся в плодах данных овощей. Собственно, само слово «капсаицин» произошло от латинского названия данного вида Capsicum annuum (Перец стручковый), к которому относятся все попадающие на наши столы перцы. Попадание капсаицина на «рецептор горячего» TRPV1 приводит к его активации и мы испытываем ощущения, близкие к обжигающему воздействию горячей пищи. Но, безусловно, нельзя провести полноценную параллель между употреблением острого перца и ожогом: «горячие болевые ощущения» от перца это своего рода эволюционно возникший способ обмана нашего организма, на который перец идёт, чтобы защитить свои семена от поедания, в то время как высокие температуры представляют уже реальную угрозу нашему здоровью.

оказалось, что всё не так просто: в природе существуют типы рецептора TRPV1, невосприимчивые к присутствию капсаицина. Такой TRPV1 есть, например, у птиц. И что самое удивительное — это опять на руку перцу! Дело в том, что птицы не жуют семена, как это делаем мы, а глотают целиком. Поскольку они не чувствуют острого вкуса, то они охотно их склёвывают, правда их пищеварение не в состоянии справиться с их оболочкой и в итоге они выходят из птицы наружу невредимыми. Таким вот образом происходит распространение довольно тяжёлых (по сравнению с семенами одуванчика) семян на большие расстояния.

TRPV1 по сути можно назвать «рецептором боли»: действительно, его активация происходит при опасных для организма высоких температурах. Кроме того, было показано, что яд некоторых тарантулов вызывает боль также через взаимодействие компонентов яда с рецептором TRPV1. И ещё одно забавное наблюдение: поскольку TRPV1 по сути является «рецептором боли», то с точки зрения молекулярной биологии в любви к острой пище можно найти частичку мазохизма. Хотя и эндорфиновую зависимость как у наркоманов тоже можно найти.

Другим примером острой пищи является горчица, которую мы рассмотрим уже на примере воздействия на кожу. Как, наверно, всем известно, горчица — главный компонент горчичника. Дело в том, что смачивание горчичника запускает ферментативную реакцию в порошке горчицы, продуктом которой является в том числе соединение под названием «аллилизотиоцианат». Оно в свою очередь проникает через кожу, где взаимодействует с рецепторами TRPA1 и TRPV1 и тем самым вызывает лёгкое локальное воспаление и, как следствие, локальный рост температуры тела. Кстати, на основании капсаицина тоже есть прогревающая мазь. Показаниями к её применению являются невралгии, связанные с опоясывающим лишаем-острым болезненным состоянием, вызываемым вирусом Varicella zoster (ветряная оспа, она же ветрянка). Также содержащие капсаицин мази применяются для лечения слабо или умеренно выраженных артритов, диабетической невропатии и послеоперационных болей.

Ключевым компонентом мяты в является ментол, который взаимодействует с рецептором TRPM8 (TRPM8 — холодовой рецептор, реагирующий на температуры ниже 25 градусов). Попадая в полость рта он активирует «холодовые рецепторы», а взаимодействие ментола с обонятельными в носу заметно облегчает понимание. Так же, как и получаемый из горчичников аллилизотиоцианат, ментол может использоваться далеко не только в пище или в качестве ароматизатора. Дело в том, что ментол обладает противоположным аллилизотиоцианату эффектом. Именно поэтому в препаратах, снижающих симптомы простуды часто присутствует ментол: он способен снижать уровень воспаления в горле, по сути являясь при этом местным анестетиком. В продаже даже имеются охлаждающие гели, содержащие ментол. Производителями утверждается, что подобные препараты облегчает боли в мышцах и суставах, а также уменьшают отёки и гематомы, но я затрудняюсь дать оценку их эффективности, так как никогда с ними не сталкивался.

Этанол воздействует на чувствительность не только рецепторов капсаицина, но и на чувствительность TRPM8, хотя если в случае с TRPV1 имеет место повышение чувствительности, то в случае с рецептором ментола алкоголь наоборот снижает его чувствительность.

На самом деле в ситуации с горчицей и перцем имеет место два совершенно разных процесса, просто они начинаются с сигнала одного и того же рецептора TRPV1. Это легко понять, если сравнить рост температуры в месте воспаления от горчичника и испытываемые при этом ощущения: с одной стороны нам кажется, что горчичник раскалён до очень высокой температуры и это «аллилизотиоцианатный обман», хотя на самом деле место воспаления прогрелось всего на на пару-тройку градусов.

С ментоловыми шампунями история чуть-чуть другая, так как «обманное охлаждающее» и анальгезирующее действие ментола объясняется его взаимодействием с двумя разными рецепторами. Когда он попадает на рецепторы TRPM8 на коже головы, то начинает казаться, что на неё постоянно подаётся прохладный воздух, хотя на самом деле кожа сохраняет свою обычную температуру. Это обман мозга в чистом воде. А вот применение ментола в препаратах для облегчения симптомов боли в горле объясняется его воздействием уже на опиоидные рецепторы (они принадлежат к классу GPCR).

У человека есть термодинамическое ядро и периферия. Периферия — это нос, пальцы, уши и тому подобное. Температура может сильно колебаться. А ядро в норме всегда имеет стабильную температуру около 37 градусов. Это печень, сердце, мозг, основной объем крови. Тупо тепловая инерция велика. Ядро можно охладить, например, долгой прогулкой под холодным ветром в лёгкой одежде. Если ты начинаешь дрожать от холода, шерсть дыбом стоит — это верный признак охлаждения ядра. Это может снизить иммунитет. Это уже декомпенсация.

Теперь периферия. Если ты стакан холодной воды выпьешь, то начинаешь мерзнуть? Нет. Значит на общий иммунитет это не влияет. У нас в организме нет как такового иммунитета пятки, левого уха и правой миндалины. Это системная защита в основном. А местные эффекты охлаждения могут быть весьма полезны.

Дело в том, что вреден не только локальный перегрев (то есть ожог), но и локальное переохлаждение. К примеру, бывают холодовые ожоги и серьёзные обморожения. Как это работает. Клетке «комфортно» при температуре около 37 градусов, при данной температуре белки не денатурированы и работают с нужной клетке скоростью. Повышение температуры приводит к денатурации и сбою клеточных процессов, а понижение, например, к замедлению химических реакций (реакции ускоряются с ростом температуры), что также не очень-то полезно. Именно поэтому в клетках есть т.н. «белки теплового шока» и «белки холодового шока» — они устраняют повреждения от температурных стрессов. Но если стресс слишком силён, то эти белки не справляются и повреждения становятся серьёзными.

Плюс где холод, там сужение сосудов. Где сужение сосудов, там низкий кровоток. Ну а низкий кровоток это плохо по очень многим причинам: не поступает питание, кровь перестаёт согревать ткани и так далее.

Вопрос интенсивности. Иногда вредно, иногда может принести пользу.

Тепловые явления в окружающем нас мире столь же распространены, как и механические. Это самые значительные, самые заметные после механического движения явления. Они, как правило, связаны с нагреванием или охлаждением тел, с изменением их температуры.

Роль тепловых явлений

Привычный облик нашей планеты существует и может существовать только в довольно узком интервале температур. Если бы температура превысила 100 °С, то на Земле не стало бы рек, морей и океанов, не было бы воды вообще. Вся вода превратилась бы в пар. При понижении температуры на несколько десятков градусов моря и океаны превратились бы в громадные ледники .

При смене времен года на средних широтах изменение температуры на 20—30 °С меняет весь облик планеты. С наступлением весны начинается пробуждение природы. Леса одеваются листвой, зеленеют луга. Зимой же жизнь растений замирает. Толстый слой снега покрывает землю.

Еще более узкие интервалы температур необходимы для поддержания жизни теплокровных животных. Температура животных и человека поддерживается внутренними механизмами терморегуляции на строго определенном уровне. Достаточно температуре повыситься на несколько десятых градуса, как мы уже чувствуем себя нездоровыми. Изменение же температуры на несколько градусов ведет к гибели организмов.

Поэтому неудивительно, что тепловые явления привлекали внимание людей с древнейших времен. Умение добывать и поддерживать огонь сделало человека относительно независимым от колебаний температуры окружающей среды. Это было одним из величайших открытий человечества. Роль огня отражена в поэтическом древнегреческом мифе о Прометее. Прометей похитил огонь с Олимпа и передал его людям. За это он был прикован Зевсом к скале и обречен на многолетние мучения.

Свойства тел и температура

Почти все свойства тел зависят от температуры. Так, при нагревании и охлаждении меняются размеры твердых тел и объемы жидкостей. Значительно меняются при нагревании или охлаждении обычные механические свойства тел, например, упругость. Кусок резиновой трубки не пострадает, если при комнатной температуре ударить по нему молотком. Но при сильном охлаждении резина становится хрупкой, как стекло, и от легкого удара резиновая трубка разбивается на мелкие кусочки. Лишь после нагревания резина вновь обретает прежние свойства.

Кроме механических свойств, при изменении температуры меняются и другие свойства тел: сопротивление электрическому току, магнитные свойства, оптические и пр. Так, если сильно нагреть постоянный магнит, то он перестанет притягивать железные предметы.

Тепловые процессы и строение вещества

Течение тепловых процессов непосредственно связано со строением вещества, его внутренней структурой. Например, тот факт, что нагревание парафина на несколько десятков градусов делает его жидким, а нагревание железного стержня на столько же градусов заметным образом на него не влияет (он только начинает обжигать пальцы), несомненно связан с тем, что внутреннее строение парафина и железа различно. Поэтому тепловые явления можно использовать для выяснения структуры вещества. И наоборот, определенные представления о строении вещества способны пролить свет на физическую сущность тепловых явлений, дать им глубокое и наглядное истолкование.

Тепловые явления в технике

Очень важно, что открытие законов, которым подчиняются тепловые явления, позволяет с максимальной пользой применять эти явления на практике и в технике. Современные тепловые двигатели, холодильные установки, установки для сжижения газов и многие другие устройства конструируют на основе этих законов.

Несмотря на видимую простоту и очевидность тепловых явлений, для понимания их сути ученым пришлось напряженно работать несколько сотен лет. История создания теории тепловых процессов — пример того, каким сложным и подчас противоречивым путем добываются научные истины.

Воззрения древних

Большинство философов древности были склонны рассматривать огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно были сделаны попытки связать теплоту с внутренними движениями в телах, так как было замечено, что при соударении тел или трении их друг о друга они нагреваются.

Зарождение научной теории тепла

Первые успехи на пути построения научной теории тепла относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов. Этот прибор, к которому мы все так привыкли, по словам Р. Майера (одного из первооткрывателей закона сохранения энергии), явился «могущественным инструментом в титанической борьбе между истиной и заблуждением». Но о том, что же именно измеряют термометром, единого мнения не было. Вплоть до второй половины XVIII в. отсутствовало ясное разграничение понятий «температура» и «количество теплоты».

Экспериментальные исследования с применением термометра вновь остро поставили вопрос о том, что же такое теплота. Четко наметились две диаметрально противоположные точки зрения. Согласно так называемой вещественной теории тепла теплоту связывали с особого рода невесомой жидкостью, способной перетекать от одного тела к другому. Эта жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела.

Согласно другой точке зрения, теплота — это вид внутреннего движения частиц, составляющих тела. Чем быстрее движутся частицы, тем выше температура тела. В этой теории тепловые явления связывались с атомистическим учением древних философов о строении вещества. Теория первоначально называлась корпускулярной теорией тепла (от латинского слова corpusculum — частица). Ее придерживались такие выдающиеся ученые, как И. Ньютон, Р. Гук, Р. Бойль, Д. Бернул-ли и др.

Большой вклад в развитие корпускулярной теории был сделан великим русским ученым М. В. Ломоносовым. Ломоносов рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории он дал правильное, в общих чертах, объяснение явлений плавления, испарения и теплопроводности. Им был сделан вывод о существовании «наибольшей или последней степени холода», когда движение частиц вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова и его авторитету среди русских ученых было мало сторонников вещественной теории тепла.

Теория теплорода

Несмотря на привлекательность и глубину корпускулярной теории тепла, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того, как экспериментально было доказано сохранение количества теплоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении (не уничтожимости) тепловой жидкости — теплорода. На основе вещественной теории теплоты были введены понятия теплоемкости тел, удельных теплот парообразования и плавления, построена количественная теория теплопроводности. Многими терминами, введенными в то время, мы пользуемся и сейчас.

Ломоносов Михаил Васильевич (1711— 1765) — великий русский ученый-энцик-лопедист, поэт и общественный деятель, основатель Московского университета, носящего его имя. А. С. Пушкин назвал М. В. Ломоносова «первым русским университетом». М.В.Ломоносову принадлежат выдающиеся труды по физике, химии, горному делу и металлургии. Он развил молекулярно-кинетическую теорию теплоты, в его работах предвосхищены законы сохранения массы и энергии. М. В. Ломоносов создал фундаментальные труды по истории русского народа, он является основоположником современной русской грамматики.

С помощью корпускулярной теории теплоты не удавалось получить столь важные для физики количественные связи между различными величинами, характеризующими тепловые процессы. В частности, эта теория не смогла объяснить, почему теплота сохраняется при теплообмене. В те времена не была ясна связь между механической характеристикой движения частиц — их кинетической энергией и температурой тела. Понятие энергии вообще еще не было введено в физику. Поэтому на основе корпускулярной теории в XVIII в. не могли быть достигнуты те немалые успехи в развитии количественной теории тепловых явлений, какие были сделаны с помощью простой теории теплорода. Для своего времени теория теплорода была прогрессивной.

Крах теории теплорода

В конце XVIII в. вещественная теория теплоты начала сталкиваться со все большими и большими трудностями и к середине XIX в. потерпела полное и окончательное поражение.

Большим числом разнообразных опытов было показано, что сохраняющейся «тепловой жидкости» не существует. Например, при совершении работы силами трения можно получить от двух тел любое количество теплоты; тем большее, чем большее время силы трения совершают работу. В то же время при совершении работы паровой машиной пар охлаждается, и теплота исчезает.

Итак, простая идея о сохранении невесомой жидкости — теплорода оказалась ложной. Но нельзя сказать, что ученые с самого начала стали жертвами грубого, непростительного заблуждения. Сходная мысль о сохранении некой «электрической жидкости», высказанная в начале развития теории электричества, оказалась в общих чертах верной. В нее после открытия дискретного строения электричества и двух знаков электрических зарядов были внесены лишь поправки.

В середине XIX в. опытным путем была доказана эквивалентность механической работы и количества теплоты, переданной телу. Подобно работе, количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание или охлаждение тела связано не с увеличением или уменьшением в нем количества особой невесомой жидкости, а с увеличением или уменьшением его энергии.

Принцип сохранения теплорода был заменен более общим и глубоким принципом — законом сохранения энергии.

Открытие закона сохранения энергии позволило создать во второй половине XIX в. количественную теорию тепловых процессов — термодинамику.

Термодинамика возникла при изучении оптимальных условий использования теплоты для совершения работы задолго до того, как молекулярно-кинетическая теория получила всеобщее признание. (Вещество обладает многими свойствами, которые можно изучать, не углубляясь в строение вещества.)

Термодинамика — это теория тепловых явлений, в которой не учитывается молекулярное строение тел. Так как в

этой теории не вскрывается сущность тепловых процессов, то термодинамику называют феноменологической (описательной) теорией тепла.

В термодинамике тепловые явления описываются с помощью величин, регистрируемых приборами, не способными реагировать на воздействие отдельных молекул (термометр, манометр и др.). Все законы термодинамики относятся к большим телам, число молекул в которых огромно. Такие тела в физике называют макроскопическими. Энергия макроскопического тела во много раз превышает энергию отдельных молекул. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень, земной шар — все это примеры макроскопических тел. Наше тело — это тоже макроскопическое тело.

Тепловые процессы связаны с передачей и превращением энергии. Поэтому основные законы термодинамики относятся к поведению энергии. Первым законом термодинамики является закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления.

Во втором законе речь идет о направлении энергетических превращений: утверждается, что теплота не может быть целиком превращена в работу.

Молекулярно-кинетическая теория

Открытие закона сохранения энергии дало мощный импульс развитию корпускулярной теории тепла, получившей название молекулярно-кинетической теории.

В этой теории ставилась задача объяснения всех процессов, происходящих в макроскопических телах, на основе предположения о том, что вещество состоит из атомов и молекул, движение которых подчиняется законам механики Ньютона.

В конце XIX в. по-прежнему не было прямых экспериментальных доказательств реальности атомов и молекул, хотя многие факты можно было легко объяснить, допустив существование атомов. Ученым, развивавшим молекулярно-кинетическую теорию, пришлось вести длительную борьбу со сторонниками так называемого энергетизма.

Приверженцы энергетизма считали единственной посильной задачей науки описание явлений, доступных непосредственному наблюдению. Попытки привлечения в науку таких неосязаемых объектов, как атомы и молекулы, они полагали недопустимыми. По их мнению, не только получить достоверные сведения о свойствах атомов и молекул, но и доказать экспериментально их существование невозможно. Признавая закон сохранения энергии, эти ученые по существу отрывали энергию от ее материальных носителей — движущихся атомов и молекул.

Лишь в начале XX в. борьба с энергетизмом завершилась полной победой сторонников молекулярно-кинетической теории. Была построена последовательная теория поведения больших коллективов атомов и молекул — статистическая механика (современное название молекулярно-кинетической теории). Справедливость этой теории была доказана многочисленными опытами.

Термодинамика и статистическая механика

После создания статистической механики термодинамика не утратила своего значения. Ее общие законы справедливы для всех веществ независимо от их внутреннего строения. С помощью термодинамики сравнительно просто объясняются тепловые явления и выполняются расчеты важных технических устройств, однако при этом многие величины, например теплоемкости, должны быть определены экспериментально. Статистическая механика позволяет на основе определенных представлений о строении вещества вычислять теплоемкости тел и другие величины, которые термодинамика заимствует непосредственно из опыта. Но количественная теория твердого и особенно жидкого состояния вещества очень сложна, и не всегда необходимые вычисления могут быть выполнены до конца. В ряде случаев простые расчеты, основанные на законах термодинамики, оказываются незаменимыми.

В настоящее время в науке и технике с успехом используются оба метода описания тепловых явлений — термодинамический и статистический. Они взаимно дополняют друг друга. Но статистическая механика — более глубокая теория, в которой полностью вскрывается сущность тепловых явлений. Сами законы термодинамики можно обосновать в рамках статистической механики.