Ломоносов внёс огромный вклад в развитие физической науки в России. Ко времени, когда жил и творил Ломоносов, физика уже представляла собой относительно развитую науку со своими теоретическими и экспериментальными особенностями, установленными многими поколениями исследователей.
В XVII-XVIII-м веках учёные-физики относили тепло и свет к числу каких-то неощутимых невесомых жидкостей, будто бы находящихся в порах материальных тел или, наоборот, отсутствующих в них.
Первый ощутимый удар по этой теории был нанесён атомно-кинетической концепцией строения вещества и законом сохранения материи и движения, установленными Ломоносовым
Во времена М.В. Ломоносова при объяснении тепловых явлений активно использовали понятие теплорода, особого вещества, по сути, эфира, который якобы содержался в телах и определял их температуру. Гипотеза теплорода использовалась
ещё в Древней Греции, греки называли теплород флогистоном. Гипотеза была на удивление проста и основывалась на аналогии с сообщающимися сосудами. Пытаясь объяснить нагревание и охлаждение тел при их контакте, предположили, что процессы определяются количеством особой жидкости, содержащейся в телах. При соприкосновении тел, эта мифическая жидкость подобно жидкости в сообщающихся сосудах перетекает из одного тела в другое, выравнивая их температуру. Несмотря на простоту и наивность, идея теплорода − флогистона позволила получить знаменитое уравнение теплового баланса, которое стало своеобразной ступенькой к вершинам современной термодинамики.
Ломоносов, однако, объяснял тепловые явления вращением молекул и атомов, утверждая, что “должна существовать наибольшая степень холода, состоящая в полном покое частичек, в полном отсутствии вращательного движения их”, т.е. в природе должен присутствовать абсолютный ноль температуры.
Эти взгляды были изложены Ломоносовым в диссертации “Размышления о причинах тепла и холода” (перевод с латинского Б.Н. Меншуткина), которая состояла из 34-х параграфов, где раскрывались взгляды автора на представление о теплоте, основанные на разрабатываемой автором теории строения вещества. Диссертация была прочитана им на Конференции в январе 1725-го года и сдана в набор в июле 1749-го года.
Основными здесь были параграфы первый, третий и шестой, а в 34-м параграфе подводятся итоги взглядов Ломоносова.
“§ 1. Очень хорошо известно, что теплота возбуждается движением: от взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем; при ударе кремня об огниво появляются искры; железо накаливается от проковывания частыми и сильными ударами, а если их прекратить, то теплота уменьшается и произведенный огонь в конце концов гаснет. Далее, восприняв теплоту, тела или превращаются в нечувствительные частицы и рассеиваются по воздуху, или распадаются в пепел, или в них настолько уменьшается сила сцепления, что они плавятся. Наконец, зарождение тел, жизнь, произрастание, брожение, гниение ускоряются теплотою, замедляются холодом. Из всего этого совершенно очевидно, что достаточное основание теплоты заключается в движении. А так как движение не может происходить без материи, то необходимо, чтобы достаточное основание теплоты заключалось в движении какой-то материи…
§ 3. Так как тела могут двигаться двояким движением – общим, при котором всё тело непрерывно меняет своё место при покоящихся друг относительно друга частях, и внутренним, которое есть перемена места нечувствительных частиц материи, так как при самом быстром общем движении часто не наблюдается теплоты, а при отсутствии такового движения наблюдается большая теплота, то очевидно, теплота состоит во внутреннем движении материи…
§ 6. Внутреннее движение мы представляем себе происходящим трояким образом: 1) нечувствительные частицы непрерывно изменяют место или 2) вращаются, оставаясь на месте, или, наконец, 3) непрерывно колеблются взад и вперед на нечувствительном пространстве в нечувствительные промежутки времени. Первые мы назовем поступательным, второе – вращательным, третье – колебательным внутренним движением. Теперь следует рассмотреть, которое же из этих движений производит теплоту. Чтобы это выяснить, мы примем за основу следующие положения. 1) То внутреннее движение не есть причина теплоты, отсутствие которого будет доказано в горячих телах. 2) Не является причиной теплоты и то внутреннее движение, которое имеется у тела менее горячего, чем другое тело, лишенное этого движения”.
Заключает свой трактат (параграф 34) Ломоносов словами:
“На основании изложенного мы утверждаем, что нельзя приписывать теплоту тел сгущению какой-то тонкой, специально для того предназначенной материи, но что теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи нагретого тела. При этом мы не только говорим, что такое движение и теплота свойственны и той тончайшей материи эфира, которой заполнены все пространства, не содержащие чувствительных тел, но и утверждаем, что материя эфира может сообщать полученное от Солнца теплотворное движение нашей Земле и остальным телам мира и их нагревать, являясь той средой, при помощи которой тела, отдаленные друг от друга, сообщают теплоту без посредничества чего-либо ощутимого”.
Таким образом, Ломоносов, допуская существование мирового эфира, как особой субстанции, посредством которой передаётся тепло, отвергает гипотезу теплорода (флогистона), как специфической жидкости, определяющей количество “тепла” или “холода”, содержащихся в материи.
В работах о причине теплоты Ломоносов рассматривал весьма важный вопрос о различных скоростях теплового движения мельчайших частиц материи. Он не ограничивал максимальную скорость этого движения, поэтому “невозможна высшая и последняя степень теплоты”, тогда как полное прекращение вращения частиц определяет “наибольшую и последнюю степень холода”, то есть абсолютный нуль температуры, исходя из современных представлений.
Таким образом, Ломоносов высказал мысль о существовании абсолютного нуля, т. е. температуры, при которой полностью прекращается тепловое движение частиц материи. Однако он подчёркивал, что высшей степени холода на Земном шаре нигде не существует, “всё, что нам кажется холодным, лишь менее тёпло, чем наши органы чувств”. Молекулярно-кинетическую теорию теплоты Ломоносов распространил также и на внеземные объекты, объяснив на её основе процесс передачи тепла от Солнца на Землю.
М.В. Ломоносов формулирует то, что позднее было названо первым законом термодинамики: более нагретое тело не может нагреть другое тело выше той температуры, которой обладает само.
Таким образом, Михаил Васильевич Ломоносов заложил первые камни в основание науки о теплоте, однако, понадобилось почти целое столетие, чтобы идеи Ломоносова были приняты официальной наукой и получили дальнейшее развитие.