Зачем в физике понадобились теплоёмкости.

Вышло так, что естественнонаучные представления о теплоте и тепловых контактах горячих и холодных тел – на протяжении всей истории своего развития – строились на догмате о том, что теплота – это нечто, передающееся от горячих тел к холодным, отчего их температуры выравниваются. Сначала говорили о весомой теплотворной материи, потом перешли на невесомый флюид, называвшийся теплородом, и, наконец, остановились на самом продвинутом варианте – на тепловой энергии (см. [Д3]). В свете этого продвинутого варианта, отдаваемая горячим телом тепловая энергия может не вся добраться до холодного тела – но ни при каких условиях, даже самых идеальных, холодное тело не может получить больше тепловой энергии, чем горячее ему отдаёт. Это, якобы, следует из закона сохранения энергии – если применять его не для суммы всех задействованных энергий в разных формах (как и положено), а для тепловой энергии персонально. И вот куда завёл такой оригинальный подход.

О тепловом эффекте в теле, т.е. об изменении количества тепловой энергии в нём, судят по изменению его температуры. Энергия, приходящаяся на одну «тепловую» степень свободы, исчисляется в единицах kT [К5] (k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура). И если знать, во-первых, количество атомов в теле, во-вторых, число «тепловых» степеней свободы, приходящихся на один атом, и, в-третьих, количество (хотя бы среднее) единиц kT, приходящихся на одну «тепловую» степень свободы, то, обозначив произведение этих трёх величин через a, для теплового эффекта D Q в конкретном теле можно записать

D Q = a k D T.                                                                                   (10.4.1)

Расчёт теплового эффекта через выражение (10.4.1) – вполне корректен. Но, для практических расчётов, используется другое выражение:

D Q = mC D T,                                                                                  (10.4.2)

где m - масса тела, C - удельная теплоёмкость вещества, из которого состоит тело. По определению, теплоёмкость тела – это отношение малого количества тепловой энергии, сообщённой телу, к результирующему малому приращению температуры этого тела (если тело при этом не испытывает ни структурных, ни агрегатных превращений).

На первый взгляд, выражения (10.4.1) и (10.4.2) эквивалентны – оба они дают нам произведения приращения температуры тела на тот или иной параметр, значение которого является для тела характеристическим. Однако, мы усматриваем здесь принципиальную разницу. Что касается параметра a в (10.4.1), то он не зависит от нашего произвола – и, соответственно, от нашего произвола не зависит значение теплового эффекта (10.4.1). Что же касается теплоёмкости, то эта характеристика допускает произвол – а, значит, допускается произвол и для теплового эффекта (10.4.2).

Потребность в этом произволе возникла вот почему. Наблюдения за выравниванием температур контактирующих горячих и холодных тел говорили о том, что результирующие тепловые эффекты в них, рассчитываемые через (10.4.1) – как правило, неодинаковы. Если тепловой эффект в остывшем теле был больше, чем в нагревшемся, то, с позиций концепции перехода тепловой энергии от горячего тела к холодному, здесь не происходило ничего экстраординарного. Но наблюдались случаи, когда тепловой эффект в нагревшемся теле оказывался больше, чем в остывшем. Такие «сверх-единичные» случаи совершенно не укладывались в рамки концепции перехода тепловой энергии от горячего тела к холодному.

Когда возникла эта проблема, можно было сразу пересмотреть концепцию передачи тепловой энергии от тела к телу. Но эту концепцию сохранили, и постулировали, что, в условиях отсутствия диссипации передаваемой энергии, холодное тело получает её ровно столько, сколько горячее ему отдаёт. Поэтому пришлось изобрести новый способ расчётов тепловых эффектов, с использованием подгоночных коэффициентов – теплоёмкостей. Баланс тепловых эффектов в горячем и холодном телах, при выравнивании их температур, стали записывать, для условий отсутствия диссипации тепловой энергии, так:

m ₁ C ₁D T ₁ = m ₂ C ₂D T ₂,                                                                    (10.4.3)

где справа и слева от знака равенства стоят произведения массы тела, удельной теплоёмкости его вещества, и приращения его температуры. Как видно из (10.4.3), подходящим отношением теплоёмкостей C ₁ и C ₂ можно, сохраняя равенство правой и левой частей, скомпенсировать любое соотношение между m ₁D T ₁ и m ₂D T ₂, особенно для «сверх-единичных» случаев – которые низводятся, таким образом, до «ровно единичных».

Такая теория требует, для своей поддержки, «правильного» набора значений теплоёмкостей веществ – т.е. такого их набора, который не оставлял бы возможностей для «сверх-единичных» тепловых контактов. Главная методика для нахождения «правильных» теплоёмкостей основана на использовании всё тех же калориметров – у которых, кстати, измеряемый эффект исчисляется вовсе не в калориях, а в градусах: это приращение температуры буферного вещества. Потому калориметры и оказались такими незаменимыми, что с их помощью можно было рулить и вправо, и влево: тепловые эффекты определяли, исходя из того, что известны теплоёмкости, а теплоёмкости определяли, исходя из того, что известны тепловые эффекты. После этой песни нас уверяют, что корректные измерения тепловых эффектов обеспечивает только калориметрический метод – и, если этот метод применяется без ошибок, то «сверх-единичных» эффектов он никогда не выявляет. Разумеется, это так – ведь для теплоёмкостей веществ подобрали, с помощью этого же метода, такие значения, которые «сверх-единичных» эффектов не допускают. Ради этого недопущения «сверх-единичных» эффектов, постоянно проводится титаническая работа по согласованию и пересогласованию значений теплоёмкостей, получаемых различными способами и при различных условиях – в этой работе задействованы целые институты.

Какими бы благими побуждениями ни оправдывалось введение теплоёмкостей в физику, по факту они искажают истинную картину тепловых эффектов, маскируя «сверх-единичные» тепловые контакты горячих и холодных тел.