В 1761 году, спустя более чем столетие после основания Академии дель Чименто, шотландский химик Джозеф Блэк открыл, что воздействие тепла на вещество не всегда меняет температуру. В частности, нагревание смеси льда и воды не поднимает температуру, а только повышает соотношение воды ко льду. Температура воды начнет расти лишь после того, как весь лед растает. Блэк пришел к выводу, что то же верно для смеси холодной воды и пара: нагревание не будет повышать температуру, пока вся вода не испарится.
Отличие тепла от температуры не вписывалось в господствовавшую в то время теорию источника и получателя. До Блэка все исходили из того, что термометр измеряет тепло, а не температуру, поэтому разделение тепла и температуры при фазовом переходе было необъяснимым.
Это открытие заставило Блэка разработать новую теорию тепловых явлений, но это была не кинетическая теория, принятая в современной термодинамике. Теория Блэка различала тепло и температуру, но все еще продолжала считать тепло веществом — теплородом[66]. В точках таяния и кипения теплород накапливается внутри веществ, меняя их химический состав, но не температуру. Потребовалось еще целое столетие, чтобы ученые отказались от этой теории в пользу кинетического (основанного на энергии) взгляда на тепло. Но не-ученые держатся за нее. Подобные представления лежат в основе большинства рассуждений о теплоте, хотя старое название давно забыто и теплород называют просто теплом.
* * *
Тепло — это форма энергии, совокупная энергия молекул физической системы, но мы интуитивно рассматриваем ее как разновидность вещества согласно с описанными выше устаревшими теориями. Интуитивные теории тепла совпадают с историческими воззрениями во многих аспектах, начиная с формулировок. Тепло описывают как нечто движущееся само по себе («тепло из ванны уходит, рассеивается, улетучивается). Его можно поймать и сдержать («теплица удерживает солнечное тепло», «закройте дверь, чтобы не напустить жары»). Для некоторых это просто метафора. Проще сказать «все тепло ушло из ванны», чем «вода в ванне достигла теплового равновесия с окружающей средой». Большинство же людей понимают это не менее буквально, чем фразу «из ванны вытекла вся вода» или «закрой дверь, чтобы не проникал запах».
Откуда известно о том, что эти формулировки буквальны? Например, использующие их люди делают совершенно иные прогнозы о тепловых феноменах, чем не использующие. Мы еще обсудим это. Другая причина заключается в том, что если нужно объяснить «вещественные» формулировки, то многие излагают теорию, полностью основанную на веществе, как в представленной ниже беседе между ученым, исследующим преподавание физики, и студентом колледжа, изучающим физику:
