Оба понятия — и конвекцию и теплопроводность — можно объяснить в терминах механики. В обоих случаях имеется фактическое воздействие более энергичных атомов или молекул на менее энергичные атомы или молекулы, и поэтому энергия передается прямым контактом. Однако теплота может быть передана и вообще без какого-либо контакта. Если заключить в вакуум некий горячий объект, то он будет передавать свою теплоту через него, несмотря на то что вокруг него нет ничего, что могло бы эту теплоту перенести посредством конвекции или теплопроводности. Солнце отделено от нас почти на 93 000 000 миль вакуума, гораздо более качественного, чем любой, который мы можем получить в лабораторных условиях, и все же его теплота достигает нас — это очевидно. Такая теплота кажется проистекающей из горячего объекта во всех направлениях, подобно обычным лучам, которые любят рисовать исходящими из солнца многие мультипликаторы. По-латински слово «луч» звучит как «радиус», и поэтому явление переноса теплоты через вакуум было названо «радиацией». Детальное рассмотрение явления радиации будет нами сделано во втором томе этой книги.

Интерес к любым законам, управляющим движением теплоты различными методами, наиболее остро поднялся в первой части XIX столетия из-за все возрастающей важности парового двигателя, изобретенного Джеймсом Ваттом, работа которого зависела от величины теплового потока. В паровом двигателе теплота передается от сжигаемого топлива к воде, преобразуя последнюю в пар. Теплота, содержащаяся в паре, затем переходит в холодную воду, охлаждающую конденсор, и пар, теперь охлаждаясь, отдает теплоту, превращаясь опять в воду. Этот тепловой поток, который обращает воду в пар и обратно, каким-то образом выделяет достаточное количество энергии, которая может быть конвертирована в кинетическую энергию поршня, а последний, в свою очередь, может выполнять полезную работу.

Изучение движения теплоты (сначала — в связи с вниманием по отношению к работе парового двигателя) в результате привело к созданию раздела физики, который называется «термодинамика» (от латинских слов, означающих «движение теплоты»). Конечно, при любом рассмотрении потока теплоты для начала нужно принять, что теплота не может обращаться в нуль или в ничто и не может проистекать из ничего. Приведенная фраза отражает закон сохранения энергии, и это обобщение настолько важно для термодинамики в целом, что его часто называют «первым законом термодинамики».

Однако первый закон термодинамики просто заявляет, что в закрытой системе содержание полной энергии есть величина постоянная, и не дает нам представления о том, как именно энергия в такой системе может передаваться от одной части системы к другой. Но даже небольшой опыт показывает, что такие энергетические изменения происходят по одному и тому же образцу.

Например, представим себе некоторую изолированную систему (то есть такую, в которой не происходит никакого обмена энергии с внешним миром: ни выделения энергии наружу, ни поглощения ее извне); она может, например, состоять из некоторого количества льда, помещенного в горячую воду. Мы можем быть совершенно уверены, что по мере того, как лед будет плавиться, вода охладится. Полная энергия не изменилась; однако часть ее перешла из горячей воды в лед, и весь опыт человечества говорит нам, что такое изменение существует. Точно так же раскаленный камень, оставленный на воздухе, постепенно охладится, в то время как воздух, находящийся в непосредственной близости от него, будет постепенно нагреваться.

Поток теплоты от горячего объекта к холодному объекту продолжается до тех пор, пока температура различных частей изолированной системы не сравняется, и это истинно независимо от того, как передается эта теплота: конвекцией, кондукцией или радиацией.