There Does Heat Hide?

The  Ghost  of  Warmth

The  first  theory (or  rather,  hypothesis)  was  that  heat  or  warmth  is  a  special  substance  capable  of  penetrating  into  any  body.  This  substance  was  called  “caloric” and  was  considered  weightless  and  diffused  throughout  the  matter,  capable  of  “combining”  with  bodies,  turning  solid  bodies  into  liquids  and  liquids  into  gases.  According  to  this  reasoning,  the  more  caloric  in  the  body,  the  higher  its  temperature.  The  idea  that  heat  is  a  substance  that  is  not  generated or  destroyed,  but  only  redistributed  between  bodies,  was  expressed  back  in  1613  by  the great  Galileo  Galilei.

Scientists  of  that  time,  when  endeavouring  to  prove  the  existence  of  caloric,  relied  on  the  facts  obtained  by  experience. 

So,  they  saw  two  bodies —  one  cold  and  one  hot —  and  observed  that  when  they  came  into  contact,  the  hot  body  would  cool  and  the  cold  one  would  heat  up.  Indeed,  it  looked  as  if  something  was  pouring  from  a warmer  body  into  a  colder  one. It  was  believed  that  every  body  consists  of  two  substances —  the  substance  of  the  body  itself  (water,  copper,  iron,  glass)  and  caloric.  At  that  time,  even  equalities  of  this type  were  written:

Opponents  of  the  Caloric  theory 

disproved  it  through  other  experiments. 

Everyone  knows  that  when  heated,  bodies  increase  in  volume,  or  expand.    Supporters  of  the  theory  argued  that  this  was  due  to  the  presence  of  caloric  in  the  heated  body. 

Opponents  also  cited  the  example  of  water,  which  behaves  differently  when  frozen. 

Water,  as  you  know,  expands  when  cooled (put  a  full  bottle  of  warm  water  in  the  freezer  and  see  what  happens),  although  logically,  when  cooling,  the  caloric  should  leave  it  and  the  frozen  water  should  have  a  smaller  volume.

 

WATER + CALORIC = WATER  VAPOUR

ICE + CALORIC = WATER

 

Movement  is  Life!

Thus,  another  theory  (hypothesis)  was proposed  at  the  beginning  of  the  17th century  by  English  scientist  Francis  Bacon. 

According  to  this  theory,  heat  is  the  movement  of  small  particles (molecules, atoms) inside  a  body.  This  hypothesis  was  also based  on  experimental  observations  demonstrating  that  heating  can  be  caused  by  movement.  For  example,  scientists  drew  attention  to  a  fact  known  to  any  blacksmith  for  a  long  time:  under  repeated  blows  from  a  hammer,  a  cold  piece  of  iron  becomes  hot.

In  addition,  the  method  of  obtaining  fire  by  friction  has  been  known  since  time  immemorial.  Experiments  showing  that  two pieces  of  ice  or  fat  or  wax  can  be  melted  by  simple  friction  against  each  other,  without  touching  any  warmer  body,  cast  doubt  on  the  existence  of  caloric.  It  turned  out  that,  with  strokes  and  friction,  you  can  produce  heat  yourself,  without  getting  it  from 

another  source.  Such  views  on  the  nature  of  heat  are  called  the  mechanical  theory  of  heat.  This  theory  had  many  famous supporters —  including  Descartes,  Boyle, 

Hooke,  and  Lomonosov.

In  1760,  the  Scottish  physicist  and  physician  Joseph  Black  conducted  another  experiment:  he  applied  the  same  amount  of  heat  to  equal  masses  of  various  sub-

stances  and  found  that  the  bodies  were  heated  differently.  He  did  not  find  any  caloric,  but  thanks  to  Black  and  these  experiments,  we  now  know  that  different  substances  have  different  thermal  capacities and  that  this  process  has  nothing  to  do  with  caloric.

Both  theories,  with  all  their  differences,  had  something  in  common.  Both  of  them  believed  that  warmth  is  something  contained  within  a  body. 

According  to  the  first  hypothesis,  the  body  contains  caloric,  and  in  the  second,  particles  with  their  “life  force”  (this  was  what  they  called  kinetic  energy).  They  also  agreed  that  heat  does  not  simply  appear  and  disappear:  if,  on  contact  between  two  bodies,  one  of  them  loses  heat,  the  other  receives  it.  What  is  lost  by  one  body  is  acquired  by  another. What  ended  the  dispute  about  the  nature  of  heat?  Which  of  the  two  hypotheses  won?  It  should  be  noted  that  the  experiments  and  studies  in  the  18th  century  could  not 

close  the  case.  More  complex  experiments  were  still  needed,  which  would  show  that  a  body’s  temperature  can  rise  without  any  supply  of  heat,  due  to  mechanical  work  alone.  So  at  the  end  of  the  18th  century,  the  experiments  of  Anglo-American  Sir  Benjamin  Thompson  (Count  Rumford)  did  some  tangible  blow  to  the  caloric  theory Rumford  was  drilling  out  gun  barrels  in  his  workshop  when  he  noticed  that  the  temperature  of  the  drill  and  cannon  barrel  had  both  greatly  increased.  Then,  Rumford  decided  to  conduct  an  experiment:  in  a  metal  disc,  which  he  placed  under  water,  a  hole  was  drilled  with  the  help  of  a  blunt  drill,  driven  by  the  force  of  two  horses.  After  two  and  a  half  hours,  the  water  boiled.  “The  astonishment  of  others  who  saw  that  such 

a  mass  of  water  boils  without  fire  was  indescribable”  Rumford  recalled.  From  his  experiments,  he  concluded  that  there  is  no  caloric,  and  that  movement  is  the  cause  of  heat.

In  this  way,  famous  scientists  of  that  time  were  able  to  refute  caloric  theory  through  ingenious  experiments,  proving  that  heat  is  weightless  and  can  be  obtained  in  any  quantity  simply  through  mechanical  movement,  or,  in  other  words,  by  doing  work.  In  addition,  by  the  middle  of  the  19th  century,  atomism  (philosophical  doctrine  on  the  intermittent  structure  of  matter  and  small  particles —  atoms  and  molecules)  stepped  forward  in  this  direction.  Physicists,  relying  on  this  science,  could  now  explain  the  essence  and  nature  of  heat.

As  a  result,  scientists  came  to  the  con-clusion  that:

  1. Caloric  does  not  exist.
  2. Heat  is  caused  by  the  movement  of  particles  within  bodies

 

The  Energy  Inside  Us

It  is  known  that  all  bodies  consist  of  molecules  that  are  in  continuous  motion. 

This  means  that  these  molecules  have  kinetic  energy

.  In  addition,  in  solid  bodies  and  liquids,  each  molecule  also  possesses  potential  energy,  since  it  is  connected  with  the  surrounding  molecules  by  forces  of  interaction.

And  so:  what  is  “contained”  inside  a  body  is  not  heat,  but  the  internal  energy  of  the  body(that  is,  the  sum  of  the  kinetic  energy of  all  of  the  molecules  and  atoms  of  the  body  and  the  potential  energy  of  their  interaction).

Heat  is  a  part  of  the  internal  energy  of  the  body which  is  transferred  (for  example,  upon  contact)  to  another  body  or  other  bodies.

Each  of  you  is  unknowingly  a  source  of  heat,  or  rather,  a  “producer.”  When  you  are  engaged  in  sports,  actively  moving,  running  or  riding  a  bicycle,  you  get  hot.  Your  face  may  turn  red,  your  temperature  may  rise 

slightly,  and  you  begin  to  sweat.  This  is  not  due  to  the  fact  that  heat  began  to  fl  ow  into  your  body,  but  simply  because  your  body  is  doing  work  and  the  molecules  that  make  up  your  body  begin  to  move  faster.  This  increases  the  internal  energy  of  your  body.

We,  imperceptibly,  have  reached  the  concept  of  internal  body  energy —  one  of  the  most  important  principles  of  a  great  area  of  physics  called  thermodynamics.

In  another  article,  we  will  tell  you  more  about  what  the  internal  energy  of  our  body  is,  how  it  changes,  and  how  these  changes  can  be  used  in  everyday