Prinderea din urmă cu căldura

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

„Copiii de astăzi învață ideile corecte despre căldură deja în clasa a șaptea.”

(Din colecția „Glume ale marilor oameni de știință”)

… Stepa kazahă pârjolită de Soare. Oamenii de știință dintr-un mic grup expediționar, ștergând transpirația, observă saiga. Acești oameni de știință efectuează cercetări științifice responsabile. Ei vor să confirme experimental cuvintele academicianului Timiryazev: „”.

Metodologia oamenilor de știință nu este nicăieri mai simplă. Ei urmăresc câtă iarbă mănâncă animalele în mediul lor natural. Conținutul de calorii al acestui furaj - de ex. cantitatea de căldură care este eliberată atunci când este arsă într-un calorimetru este deja cunoscută de oamenii de știință. Rămâne doar să comparăm cantitatea din această „energie potențială” conținută în hrana saiga cu munca pe care o produc mușchii săi în timpul vieții sale.

Dar… cu cât oamenii de știință observau mai mult, cu atât deveneau mai melancolici. Vedeți, aceste saigă au greșit cumva. Au mâncat puțin - numărul de calorii din rațiile lor s-a dovedit a fi de câteva ori mai mic decât consumul de energie al mușchilor lor. Rezervele de grăsime nu au avut nimic de-a face cu asta - care sunt rezervele tale de grăsime vara? Cel mai ofensator lucru a fost că saigas-urile au răsturnat toate „normele fundamentate științific”: conținutul de calorii al hranei lor nu era în mod clar suficient pentru viață și păreau destul de veseli … Iată o saiga fermecătoare, făcând cu ochiul oamenilor de știință, cu grație. ridicându-și coada și dând un alt lot de caca. „Ai văzut ce face? - un observator nu a putut rezista. - Ne batjocorește, creatură rumegătoare! - „Calmează-te, colege! - a răspuns al doilea. - Dimpotrivă, ea ne spune: nu am dus experimentul până la capăt! Acesta… fânul a trecut prin vacă - acesta, uscat, arde și el! Localnicii îl folosesc drept combustibil!” - „Vrei să spui, colege, că asta… chiar asta… are și un conținut caloric?" - "Exact! Și o vom măsura!”

Făcut repede și foarte bine. Calorimetrul nu s-a distrat când au ars caca în el - dar de dragul științei a trebuit să suport. Cu toate acestea, cercetătorii s-au distrat și mai puțin atunci când s-au convins că conținutul de calorii din caca este același cu conținutul de calorii din hrana originală. S-a dovedit că la nivelul „energiei potențiale conținute în materia organică” a lui Timiryazev, animalul nu numai că consumă mult mai puțin decât este necesar pentru munca mușchilor săi, dar eliberează și atât cât consumă. Adică nu mai rămâne absolut nimic pentru ca mușchii să lucreze. Oamenii noștri de știință erau foarte conștienți de faptul că astfel de concluzii curioase nu erau pentru rapoartele lor. Prin urmare, și-au presărat cenuşă pe păr - aceleași caca arsă - și asta a fost sfârșitul.

Și până acum, situația privind „conținutul caloric al alimentelor” este un fel de mahmureală. Dacă întrebați nutriționiștii despre câte calorii pe zi ar trebui consumate cu alimente pentru a „slăbi garantat în două săptămâni”, ei vă vor explica totul în detaliu - în plus, îl vor lua ieftin și nu vor clipi din ochi.. Treaba lor este așa… Dar îi întrebăm pe academicieni: de unde provin caloriile pe care saigas le folosesc pentru a merge, a mesteca și a-și ridica coada? Și cadrelor universitare nu le place foarte mult această întrebare. În mod dureros, el este incomod pentru ei. Maximul pe care îl puteți obține din ele este un apel la faptul că organismele vii, spun ei, sunt cele mai complexe sisteme extrem de organizate și, prin urmare, spun ei, nu au fost încă suficient studiate. Așadar, unchii, în cadrul studiului organismelor vii, țineți-vă pe mama despre rezultatele măsurătorilor calorimetrice precum cele descrise mai sus? Sau ți-e teamă că va trebui să roșești când copiii râd de tine? Ei bine, iată un remediu popular dovedit pentru tine: freacă-ți botul de sfeclă roșie - dacă roșești, nu va fi atât de vizibil.

Cum au ajuns cadrele universitare la această viață? Bine, chiar dacă organismele animate sunt prea dificile pentru ei. Dar într-o substanță neînsuflețită, care este supusă acțiunii numai a legilor fizice și chimice - atunci întrebările cu calorii ar trebui să fie complet transparente? Nu vorbim despre fenomenele care se găsesc la acceleratoare și ciocnitoare. Acestea sunt fenomene pe care oricine le poate reproduce în propria bucătărie. S-ar părea că experiența practică colosală ar fi trebuit să fie modelată în idei complet clare despre căldură. Dar vă vom spune cum a luat contur cu adevărat această experiență.

Chiar și filozofii antici în problema naturii căldurii au fost împărțiți în două tabere. Unii credeau că căldura este o substanță independentă; cu cât este mai mult în corp, cu atât este mai cald. Alții credeau că căldura este o manifestare a unei proprietăți inerente materiei: într-o anumită stare a materiei, corpul este mai rece sau mai cald. În Evul Mediu a dominat primul dintre aceste concepte, ceea ce este ușor de explicat. Conceptele de structură a materiei la nivel atomic și molecular au fost atunci complet nedezvoltate - și, prin urmare, era un mister acea proprietate a materiei care ar putea fi responsabilă pentru căldură. Filosofii, în marea majoritate, nu s-au obosit să încerce să găsească această proprietate misterioasă - ci, conduși de instinctul de turmă, au aderat la conceptul convenabil de căldură ca „materie calorică”.

Oh, cât de tenace s-au aderat de ea - la crampe în mușchii de prindere. Înțelegeți: materia calorică, așa cum spune, este transferată de la corpurile calde la cele reci atunci când acestea intră în contact. Cu cât mai multă materie calorică în organism, cu atât temperatura corpului este mai mare. Ce este temperatura? Și aceasta este doar o măsură a conținutului de materie calorică. Dacă materia calorică este transferată de la dreapta la stânga, atunci temperatura este mai mare în dreapta. Si invers. Dacă materia calorică nu este transferată nici la dreapta, nici la stânga, atunci temperaturile din dreapta și din stânga sunt aceleași. Fie ca conceptele de „materie calorică” și „temperatură” să se dovedească a fi conectate printr-un cerc vicios logic, dar în rest totul a fost uimitor. S-a putut chiar trage concluzii practice: pentru a încălzi un corp, este necesar să-i adaugi materie calorică - în comparație cu ceea ce are deja. Și pentru o astfel de adăugare, este necesar un corp mai încălzit, altfel materia calorică nu va fi transferată. Strălucire! Pe baza acestor idei au fost realizate motoare termice funcționale! S-a formulat chiar și principiul indestructibilității materiei calorice, adică, de fapt, legea conservării căldurii!

Desigur, astăzi ne este ușor să vorbim despre naivitatea acestor ciudatenii medievale. Astăzi știm că căldura este una dintre formele de energie, iar legea conservării energiei nu funcționează pentru niciuna dintre formele sale. Această lege funcționează pentru energie în ansamblu - ținând cont de faptul că unele forme de energie pot fi convertite în altele. Dar în acea epocă în care materia calorică era considerată parte integrantă a Universului, principiul indestructibilității sale, datorită pretențiilor la sfera universală, i-a condus pe filosofi la uimire. Pentru confirmarea experimentală a acestui principiu - adevărat, nu la scară universală, ci la scară locală - aceste cutii cu fund dublu, numite calorimetre, au fost inventate și date în folosință.

Este uimitor: în cursul progresului științific și tehnologic, de la cronometre mecanice, au trecut mai întâi la cuarț, apoi la ceasuri atomice, de la benzile de măsurare a pământului au trecut la telemetrie cu laser și apoi la receptoare GPS - și doar calorimetrele s-au întors. a fi absolut de neînlocuit în materie de determinare directă a efectelor termice. Pana acum, calorimetrele isi servesc cu fidelitate utilizatorii: utilizatorii cred in ei si cred ca cu ajutorul lor cunosc adevarul. Iar în Evul Mediu se ruga pentru ei, se fereau de ochiul rău, ba chiar se fumiga cu tămâie – ceea ce, însă, nu ajuta prea mult. Iată, uite: procesul studiat s-a desfășurat într-un pahar cu pereți conductori de căldură, care se afla în interiorul unui pahar mare umplut cu o substanță tampon. Dacă, în timpul procesului studiat, materia calorică a fost eliberată sau absorbită, atunci temperatura substanței tampon, respectiv, a crescut sau a scăzut. Valoarea măsurată în ambele cazuri a fost diferența de temperatură a substanței tampon înainte și după procesul studiat - această diferență a fost determinată cu ajutorul unui termometru. Voila! Adevărat, o mică dificultate a fost descoperită rapid. Măsurătorile au fost repetate cu același proces de testare, dar cu substanțe tampon diferite. Și s-a dovedit că aceleași greutăți ale diferitelor substanțe tampon, dobândind aceeași cantitate de materie calorică, se încălzesc cu cantități diferite de grade. Fără să se gândească de două ori, maeștrii problemelor termice au introdus în știință încă o caracteristică a substanțelor - capacitatea termică. Acest lucru este destul de simplu: capacitatea termică este mai mare pentru substanța care conține mai multă materie calorică pentru a se încălzi cu același număr de grade, toate celelalte fiind egale. Asteapta asteapta! Apoi, pentru a determina efectul termic prin metoda calorimetrică, se cere să se cunoască în prealabil capacitatea termică a substanței tampon! De unde știți? Stăpânii căldurii, fără a se încorda, au dat un răspuns și la această întrebare. Ei și-au dat seama rapid că cutiile lor sunt dispozitive cu dublu scop, care sunt potrivite pentru măsurarea nu numai a efectelor termice, ci și a capacităților de căldură. La urma urmei, dacă măsurați diferența de temperatură a substanței tampon și cunoașteți cantitatea de materie generatoare de căldură absorbită de aceasta, atunci capacitatea de căldură dorită se află pe platoul dvs. de argint! Și așa s-a întâmplat: efectele termice au fost măsurate pe baza cunoașterii capacităților termice, iar capacitățile termice au fost recunoscute pe baza măsurătorilor efectelor termice. Și dacă cineva, nu din răutate, ci pur curiozitate, a întrebat: "Ce ai măsurat mai întâi - căldura sau capacitatea de căldură?" - apoi i s-a răspuns în acest spirit: "Ascultă, tip deștept, ce a fost mai întâi - un pui sau un ou?" - iar înțeleptul a înțeles că nu ar trebui să pună întrebări stupide.

Pe scurt: dacă nu pui întrebări stupide, atunci totul a fost bine în metoda calorimetrică, cu excepția unei nuanțe. Încă de la început, această metodă s-a bazat pe postulul cheie conform căruia materia calorică este capabilă să curgă numai din corpurile mai încălzite către cele mai puțin încălzite. Atunci nimeni nu s-a gândit la un lucru simplu: dacă acest postulat cheie este corect, atunci în timp temperaturile tuturor corpurilor se vor egaliza - și, după cum se spune, amin. Cu toate acestea, dacă cineva s-ar fi gândit la asta, i-ar fi obiectat în mod rezonabil că planul lui Dumnezeu nu putea conține o asemenea prostie - și în această privință toată lumea s-ar fi calmat.

Într-un cuvânt, conceptul de materie calorică în știință este confortabil încălzit. Prin urmare, Lomonosov-ul nostru, cu simplitatea lui rustică, nu se încadra în această idilă. La urma urmei, nu a aderat la anumite concepte, le-a cercetat - și a oferit în schimb altele mai adecvate. În „Reflecții asupra cauzei căldurii și frigului” (1744) Lomonosov a formulat clar cauza căldurii – care este „” particulelor corpului. Apropo, a tras imediat o concluzie fenomenală: „”. Astăzi, se folosește un termen mai înalt științific - „temperatura zero absolut”, dar numele lui Lomonosov nu este menționat. La urma urmei, a avut imprudența să distrugă conceptul de materie calorică! Deci, el a scris că filozofii nu au arătat - "". „Dacă filozofii ar fi folosit atunci metodele mecanicii cuantice, ar fi venit cu un fel de „reducere a funcției termice”. Deși, cu tot „obscurantismul medieval”, era considerat indecent să fie atât de sincer idiot - a devenit obișnuit abia în secolul al XX-lea. Mai era o așteptare lungă… Și Lomonosov a rezolvat următoarea iluzie - despre greutatea „materiei calorice”. „”. Din păcate, binecunoscutul Robert Boyle a greșit ceva: atunci când metalul este prăjit, pe el se formează sol, iar greutatea probei crește - dar datorită substanței adăugate ca urmare a reacției oxidative. "", În plus, "". Dar și Lomonosov a controlat „”.

În comparație cu aceste argumente devastatoare, întreaga doctrină a materiei calorice a fost un bâlbâit copilăresc – chiar și ucenicii din laboratoarele chimice au înțeles acest lucru. Dar maeștrii academicieni nu au recunoscut dreptatea lui Lomonosov - au păstrat cu înțelepciune o tăcere de moarte. „În acest caz, nu avem nimic de argumentat”, au gândit ei. „Dar nu se poate că toți suntem proști, iar el singur este un geniu”. Mai mult, acest gând a venit obsesiv la toți șefii academicienilor. Deși academicienii nu au ajuns la un acord, în exterior s-a manifestat ca o conspirație mondială de o sută de dolari. Și toți erau cei mai cinstiți și nobili oameni. În ceea ce privește selecția - unul pe celălalt este mai cinstit și mai nobil. Un cinstit a condus pe unul cinstit și a condus unul nobil.

Luați-l pe Euler, care era considerat un prieten al lui Lomonosov. Când Academia de Științe din Paris a anunțat un concurs pentru cea mai bună lucrare despre natura căldurii, a câștigat concursul și a primit Premiul Euler, care a scris în lucrarea prezentată: "" (1752). Dar acest caz Euler a fost o excepție. Restul „cinstiților și nobililor” au tăcut și au așteptat cu răbdare moartea lui Lomonosov (1765). Și numai după aceea, după ce au mai așteptat încă șapte ani pentru a fi credincioși, și-au început din nou ghivea despre materia calorică. Vezi tu, era imposibil să admit că Lomonosov avea dreptate. Acum, dacă ar fi făcut ceva mărunt - de exemplu, ar fi expus iluziile aceluiași Boyle, și atât - atunci legea lui Lomonosov ar fi acum în manuale, la fel ca legea Boyle-Mariotte. Iar Lomonosov s-a lăsat dus și a aruncat cu lopata toată știința de atunci. De acord, nu scrieți în manuale „prima lege a lui Lomonosov”, „a doua lege a lui Lomonosov”, etc. - când scorul merge la multe zeci! Elevii vor fi confuzi! De aceea, fapte experimentale proaspete, care ar putea fi interpretate în spiritul materiei calorice, au trecut cu fulgere.

Și există câteva fapte. În acele vremuri, naturaliștii aveau o modă: să amestece cutare sau cutare cantitate de apă rece cu așa și cutare cantitate de apă fierbinte - și să determine temperatura rezultată a amestecului. Experiența a confirmat formula lui Richman: valoarea temperaturii a fost o medie ponderată - în cazul particular, cu cantități egale de apă rece și caldă, era media aritmetică. Și așa: chimistul Black, și apoi și chimistul Wilke, au început să verifice formula Richmann pentru cazul amestecării apei calde nu cu apă rece, ci cu gheață - hotărând că, la punctul de topire, „acea gheață, acea apă. este o porcărie”. Rezultatul a ieșit – astăzi se poate spune cu siguranță – absolut uluitor. Temperatura finală a apei pentru cazul greutăților inițiale egale de gheață la 0^OC și apă la 70^OC s-a dovedit a fi departe de media aritmetică - s-a dovedit a fi egal cu 0^OS. Uimitor? Și apoi! Mințile erau atât de întunecate încât s-au predat cu entuziasm conceptului de „căldura latentă a gheții care se topește”. Conform acestui concept, pentru a topi gheața, nu este suficient să o încălziți la temperatura de topire, ceea ce va necesita comunicarea unei anumite cantități de materie calorică, în conformitate cu capacitatea sa de căldură - va fi, de asemenea, necesar pentru a propulsa o cantitate uriașă suplimentară de materie calorică în gheață, care va merge la topire în sine. Adevărat, în timpul topirii, temperatura gheții nu se schimbă, iar termometrele nu reacționează la această materie calorică suplimentară - de aceea căldura de topire este numită „latentă”. Totul este gândit! Și, cel mai important, experiența confirmă: unde, spun ei, alimentarea cu apă caldă merge la 70^OC, dacă nu se topește gheața?! Așa am găsit valoarea numerică a căldurii sale latente de fuziune. Academicienii au plâns de bucurie - închizând ochii la faptul că logica lui Black și Wilke funcționează sub ipoteza preliminară indispensabilă: cantitatea de căldură din natură este conservată. Cu această presupunere delirante, rezultatele lui Black și Wilke au confirmat într-adevăr prezența materiei calorice. Totul a început din nou. Cu toate acestea, eforturile lui Lomonosov nu au fost în zadar: materia calorică actuală a fost atribuită unei proprietăți atât de specifice precum absența greutății - altfel, de fapt, sa dovedit amuzant. Și au eliberat, în loc de materie calorică, un fluid caloric fără greutate, pentru care au ales un nume potrivit: caloric. Și au devenit din ce în ce mai frumoase decât înainte.

De ce vorbim despre asta atât de detaliat? Pentru că este util să știm cum a apărut în fizică acest joc despre căldurile latente ale transformărilor agregate - ceea ce este considerat încă un adevăr științific. Va trebui să spunem câteva cuvinte despre „natura științifică” a acestui „adevăr”.

Imaginați-vă: paharul interior al calorimetrului conține apă și gheață - în echilibru termic între ele și cu o substanță tampon. O creștere neglijabilă a temperaturii, până la așa-zisa. puncte liquidus - iar echilibrul de fază dintre gheață și apă va fi încălcat: gheața va începe să se topească. De unde va veni căldura pentru această topire? Dintr-o substanță tampon, sau ce? Dar apoi temperatura acestuia va scădea, iar fluxul de căldură „pentru topire” se va opri. De fapt, toată gheața se va topi, iar temperatura va rămâne la punctul liquidus. Scandal!

Poate că academicienii de astăzi consideră acest rezultat un fel de excepție enervantă, deoarece în alte cazuri, spun ei, capetele se întâlnesc perfect - de exemplu, la calcularea bilanţului termic al stelei tau-Ceti. Nu, dragilor, nu veți coborî cu o „excepție” aici. În opinia dvs., formarea de gheață în corpurile de apă deschise ar trebui, de asemenea, să fie însoțită de un efect termic - doar acum ar trebui eliberată aceeași „căldură de fuziune”. Voi, dragii mei, v-ați dat osteneala să vă dați seama - la ce rezultate ar trebui să ducă asta? Gheața crește de jos, iar conductivitatea termică a gheții este cu două ordine de mărime mai slabă decât cea a apei. Prin urmare, practic toată „căldura de fuziune” ar trebui eliberată în apă sub gheață. Dacă înlocuim valorile de referință în cea mai simplă ecuație de echilibru termic pentru cazul în cauză, se dovedește că formarea unui strat de gheață de 1 mm ar provoca încălzirea unui strat de apă adiacent de 1 mm cu 70 de grade (și o Strat de apă de 0,5 mm - până la 140 de grade; totuși, deja la 100^OAr începe să fiarbă). Cum vi se pare acest rezultat, dragilor? Poate veți spune că nu am ținut cont de amestecarea termică a apei degeaba? Într-adevăr, în intervalul de la 0^O pana la 4^OC, apa mai caldă se scufundă, iar apa mai rece urcă. Ce! Dar, chiar și în condițiile unei astfel de amestecări, dacă ar exista o sursă de căldură la suprafața apei, apa de deasupra ar fi mai caldă decât dedesubt. De fapt, profilul tipic al temperaturii arctice în apa sub gheață este următorul: apa în contact cu gheața are o temperatură apropiată de punctul de îngheț, iar pe măsură ce adâncimea crește (într-un anumit strat), temperatura crește. Aceasta este o dovadă evidentă: nu există nici un flux de căldură în apă din gheață, chiar și din creșterea gheții. Oceanologii și-au dat seama de asta de mult, așa că au inventat un astfel de prost: „”. Ce face în continuare această căldură, care se calculează, la scară regională, în trilioane de kilocalorii - oceanologilor nu le mai pasă; lăsați inginerii atmosferici să se ocupe mai departe de această căldură. S-ar putea crede că oceanologii nu știu că conductivitatea termică a gheții este cu două ordine de mărime mai slabă decât cea a apei. Încotro se îndreaptă, ne-am întrebat, expedițiile arctice, iar și iar, și ce fac hidrologii acolo împreună cu meteorologii - decupează sculpturi de gheață, sau ce?

Și nu este nevoie să te îndrepți spre Arctica pentru a te asigura că nu există eliberare de căldură atunci când apa îngheață. La televizor, MythBusters a arătat o experiență foarte reproductibilă. O sticlă de bere lichidă suprarăcită este luată cu grijă din frigider. Puneți peste această sticlă - iar berea din ea îngheață în fulgi de gheață în câteva secunde. Și sticla rămâne rece… Această experiență are o putere extraordinară de popularizare. Cuvinte cheie: „cald, rece, sticla, bere” - totul este foarte inteligibil. Chiar și pentru academicienii de astăzi.

Imaginați-vă cât de greu este pentru acești academicieni: din moment ce nu există „căldura latentă de fuziune”, nu va trebui doar să rescrieți fizica pentru clasa a șaptea, ci și să găsiți scuze - cum i-au păcălit niște chimiști medievali Black și Wilke. Și cum se poate justifica dacă academicienii încă nu înțeleg secretul acestui truc? Bine, hai să-ți arătăm. Secretul este că gheața la 0^O, dupa ce il amesteca cu apa fierbinte, nu-i creste temperatura: se topeste la temperatura constanta. Și până se topește complet, este o sursă de răcire: apa în contact cu ea, care a fost la început fierbinte, devine caldă, apoi se răcește, apoi gheață… cu greutăți de pornire egale de gheață la 0^OC și apă la 70^OС, toată apa rezultată va fi la 0^OC. Cazul, după cum puteți vedea, este simplu. Dar nu, ne cer o explicație – dar de unde, spun ei, căldura pe care o avea apa fierbinte? Prieteni, această întrebare ar fi relevantă dacă legea conservării căldurii ar funcționa în natură. Dar energia termică nu este conservată: este convertită liber în alte forme de energie. Mai jos vom ilustra faptul că un sistem închis este destul de capabil să-și schimbe temperatura - și chiar în moduri diferite.

Și în ceea ce privește o astfel de transformare agregată a materiei precum topirea, este evident că nu are nevoie de nicio „căldură latentă”. Încălziți proba până la punctul de topire - și mențineți-o dacă este necesar - și proba se va topi fără asistență. Cei care au vizionat filmul epic „Stăpânul Inelelor” își amintesc probabil ultimele secunde ale Inelului Omnipotenței. A căzut în gura „muntelui care suflă foc” - și acum zace acolo, zace… se încălzește, se încălzește… și, în cele din urmă - un zgomot! Și în loc de un inel - deja răspândind picături. Această scenă a avut mare succes pentru realizatori. Simțul deplin al realității!

(Un fragment cu inel poate fi vizualizat la linkul:

Aurul are o conductivitate termică bună, iar inelul era mic, așa că s-a încălzit în întregime deodată. Și, imediat în întreg volumul a fost încălzit până la punctul de topire - imediat și s-a topit, fără solicitări inutile de căldură. Apropo, martorii oculari ai încălzirii fierului vechi, de exemplu, aluminiul în cuptoarele cu inducție, mărturisesc: nu se topește treptat, picătură cu picătură - dimpotrivă, fragmentele proeminente încep să plutească și să curgă imediat în întregul lor volum. În cazul gheții, absența solicitărilor inutile de căldură pentru topire nu este evidentă pur și simplu pentru că conductivitatea termică a gheții este mult mai slabă decât cea a metalelor. Prin urmare, gheața se topește treptat, picătură cu picătură. Dar principiul este același: ceea ce este încălzit până la punctul de topire - apoi imediat topit.

O. Kh. Derevensky

Citiți complet