Dohitevanje toplote

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

"Danes se otroci naučijo pravilnih predstav o toplini že v sedmem razredu."

(Iz zbirke "Šale velikih znanstvenikov")

… Kazahstanska stepa, požgana od sonca. Znanstveniki iz majhne odpravne skupine, ki brišejo znoj, opazujejo sajge. Ti znanstveniki izvajajo odgovorne znanstvene raziskave. Želijo eksperimentalno potrditi besede akademika Timiryazeva: "".

Metodologija naših znanstvenikov ni nikjer enostavnejša. Spremljajo, koliko trave živali pojedo v svojem naravnem okolju. Vsebnost kalorij te krme – t.j. količina toplote, ki se sprosti pri zgorevanju v kalorimetru, je znanstvenikom že znana. Ostaja le primerjati količino te "potencialne energije", ki jo vsebuje hrana saige, z delom, ki ga njegove mišice izvajajo v življenju.

Toda … dlje ko so znanstveniki opazovali, bolj melanholični so postajali. Vidiš, te sajge so se nekako zmotile. Jedli so malo - število kalorij v njihovih obrokih se je izkazalo za nekajkrat manjše od porabe energije njihovih mišic. Zaloge maščobe pri tem niso imele nobene veze – kakšne so vaše maščobne zaloge poleti? Najbolj žaljivo je bilo to, da so sajge razveljavile vse "znanstveno utemeljene norme": kalorična vsebnost njihove hrane očitno ni bila dovolj za življenje in so bili videti precej veseli … Tukaj je očarljiva saiga, ki graciozno pomežikne znanstvenikom dvigne rep in odda še eno serijo kakcev. »Si videl, kaj počne? - se ni mogel upreti en opazovalec. - Zasmehuje se nam, prežvekovalno bitje! - »Pomiri se, kolega! - je odgovoril drugi. - Nasprotno, ona nam pravi: eksperimenta nismo pripeljali do konca! To … seno je šlo skozi kravo - posušeno tudi gori! Domačini ga uporabljajo kot gorivo!" - "Ali želite povedati, kolega, da ima ta … ta zelo … tudi vsebnost kalorij?" - "Točno tako! In izmerili ga bomo!"

Ni prej povedano kot storjeno. Kalorimeter se ni zabaval, ko so vanj zažigali kakce – a zaradi znanosti sem moral potrpeti. Še manj pa so se raziskovalci zabavali, ko so se prepričali, da je kalorična vsebnost iztrebkov enaka kalorični vsebnosti izvirne krme. Izkazalo se je, da na ravni Timiryazeve "potencialne energije, ki jo vsebuje organska snov", žival ne le porabi veliko manj, kot je potrebno za delo njenih mišic, ampak tudi sprosti toliko, kolikor porabi. Se pravi, da mišicam ne ostane čisto nič. Naši znanstveniki so se dobro zavedali, da tako radovedni zaključki niso za njihova poročila. Zato so si lase posipali s pepelom – tisti isti zažgani kakec – in s tem je bilo konec.

In doslej je situacija glede "kalorične vsebnosti hrane" nekakšna mačka. Če nutricioniste vprašate, koliko kalorij na dan je treba zaužiti s hrano, da bi "zagotovili, da boste shujšali v dveh tednih", vam bodo vse podrobno razložili - poleg tega bodo vzeli poceni in ne bodo mignili.. Njihova naloga je taka … A akademike vprašamo: od kod kalorije, ki jih sajge porabijo za hojo, žvečenje in dvigovanje repa? In akademiki tega vprašanja ne marajo preveč. Hudo mu je neprijetno zanje. Največje, kar lahko dosežete z njimi, je poziv k dejstvu, da so živi organizmi, pravijo, najkompleksnejši visoko organizirani sistemi in zato, pravijo, še niso dovolj raziskani. Torej vi, strici, v okviru študija živih organizmov molčate o rezultatih kalorimetričnih meritev, kot so zgoraj opisane? Ali pa se bojite, da boste morali zardeti, ko se vam bodo smejali otroci? No, tukaj je za vas preverjeno ljudsko zdravilo: drgnite si gobec rdeče pese – če boste zardevali, ne bo tako opazno.

Kako so akademiki prišli v to življenje? V redu, tudi če so živi organizmi zanje pretežki. Toda v neživi snovi, ki je podvržena delovanju le fizikalnih in kemijskih zakonov - ali bi morala biti potem vprašanja s kalorijami popolnoma pregledna? Ne govorimo o pojavih, ki jih najdemo v pospeševalnikih in trkalnikih. To so pojavi, ki jih lahko vsak reproducira v svoji kuhinji. Zdi se, da bi bilo treba ogromne praktične izkušnje oblikovati v popolnoma jasne ideje o toplini. Povedali pa vam bomo, kako se je ta izkušnja v resnici oblikovala.

Tudi starodavni filozofi so bili pri vprašanju narave toplote razdeljeni v dva tabora. Nekateri so verjeli, da je toplota samostojna snov; več ko ga je v telesu, topleje je. Drugi so verjeli, da je toplota manifestacija neke lastnosti, ki je lastna snovi: v danem stanju snovi je telo hladnejše ali toplejše. V srednjem veku je prevladoval prvi od teh konceptov, kar je enostavno razložiti. Koncepti strukture snovi na atomski in molekularni ravni so bili takrat popolnoma nerazviti – in zato je bila skrivnost tista lastnost snovi, ki bi lahko bila odgovorna za toploto. Filozofi se v veliki večini niso trudili, da bi našli to skrivnostno lastnost - ampak so se, pod vodstvom črednega nagona, držali priročnega koncepta toplote kot "kalorične snovi".

Oh, kako vztrajno so se je držali - do krčev v oprijemljivih mišicah. Razumite: kalorična snov se tako rekoč prenese iz vročih v hladna telesa, ko pridejo v stik. Več kot je kalorične snovi v telesu, višja je telesna temperatura. Kaj je temperatura? In to je le merilo vsebnosti kalorične snovi. Če se kurilna snov prenaša z desne na levo, je temperatura na desni višja. In obratno. Če se kurilna snov ne prenaša ne na desno ne na levo, potem sta temperature na desni in levi enaki. Naj se izkaže, da sta pojma "kalorična snov" in "temperatura" povezana z logičnim začaranim krogom, sicer pa je bilo vse neverjetno. Možno je bilo celo narediti praktične zaključke: da bi telo segreli, mu je treba dodati kalorično snov - v primerjavi s tem, kar že ima. In za tak dodatek je potrebno bolj segreto telo, sicer se kalorična snov ne bo prenesla. Sijaj! Na podlagi teh idej so bili izdelani delujoči toplotni motorji! Načelo neuničljivosti kalorične snovi je bilo celo formulirano, to je pravzaprav zakon o ohranjanju toplote!

Seveda je danes enostavno govoriti o naivnosti teh srednjeveških čudakov. Danes vemo, da je toplota ena od oblik energije in zakon o ohranjanju energije ne deluje za nobeno od njenih oblik. Ta zakon deluje za energijo kot celoto – ob upoštevanju dejstva, da se lahko nekatere oblike energije pretvorijo v druge. Toda v tistem obdobju, ko je kalorična snov veljala za sestavni del vesolja, je načelo njene neuničljivosti zaradi zahtev po univerzalnem obsegu pripeljalo filozofe do strahospoštovanja. Za eksperimentalno potrditev tega načela - res, ne v univerzalnem, ampak v lokalnem merilu - so izumili in začeli uporabljati te škatle z dvojnim dnom, imenovane kalorimetri.

Neverjetno: v času znanstvenega in tehnološkega napredka so od mehanskih štoparic najprej prešli na kvarčne, nato na atomske ure, z zemeljskih trakov so prešli na laserske daljinomere in nato na GPS sprejemnike - in obračali so se le kalorimetri je popolnoma nenadomestljiv pri neposrednem določanju toplotnih učinkov. Kalorimetri do zdaj zvesto služijo svojim uporabnikom: uporabniki verjamejo vanje in mislijo, da z njihovo pomočjo poznajo resnico. In v srednjem veku so zanje molili, jih varovali pred zlim očesom in celo zaplinjali s kadilom - kar pa ni veliko pomagalo. Poglejte: preučevani proces je potekal v kozarcu s toplotno prevodnimi stenami, ki je bil znotraj velikega kozarca, napolnjenega s pufrsko snovjo. Če se je med preučevanim postopkom kurilna snov sprostila ali absorbirala, se je temperatura puferske snovi povečala ali zmanjšala. Izmerjena vrednost v obeh primerih je bila temperaturna razlika puferske snovi pred in po preučevanem postopku – to razliko smo določili s termometrom. Voila! Res je, da je bila hitro odkrita majhna težava. Meritve smo ponovili z istim testnim postopkom, vendar z različnimi puferskimi snovmi. In izkazalo se je, da se enake teže različnih puferskih snovi, ki pridobijo enako količino kalorične snovi, segrejejo za različne stopnje. Ne da bi dvakrat premislili, so mojstri toplotnih zadev v znanost uvedli še eno značilnost snovi - toplotno zmogljivost. To je precej preprosto: toplotna zmogljivost je večja za snov, ki vsebuje več kalorične snovi, da se segreje za enako število stopinj, če so vse druge enake. Čakaj čakaj! Nato je za določitev toplotnega učinka s kalorimetrično metodo potrebno vnaprej vedeti toplotno kapaciteto puferske snovi! Kako veš? Toplotni mojstri so brez naprezanja dali odgovor tudi na to vprašanje. Hitro so ugotovili, da so njihove škatle dvonamenske naprave, ki so primerne za merjenje ne le toplotnih učinkov, temveč tudi toplotnih kapacitet. Konec koncev, če izmerite temperaturno razliko puferske snovi in poznate količino snovi, ki ustvarjajo toploto, ki jo ta absorbira, potem je želena toplotna zmogljivost na vašem srebrnem krožniku! In tako se je zgodilo: toplotne učinke so merili na podlagi poznavanja toplotnih kapacitet, toplotne kapacitete pa prepoznavali na podlagi meritev toplotnih učinkov. In če bi nekdo, ne iz zlobe, ampak zgolj iz radovednosti, vprašal: "Kaj ste najprej izmerili - toploto ali toplotno zmogljivost?" - potem so mu odgovorili v tem duhu: "Poslušaj, pametnjakovič, kaj je bilo prej - kokoš ali jajce?" - in modrec je razumel, da ne sme postavljati neumnih vprašanj.

Skratka: če ne postavljate neumnih vprašanj, je bilo pri kalorimetrični metodi vse v redu, razen enega odtenka. Ta metoda je že od samega začetka temeljila na ključnem postulatu, da je kalorična snov sposobna pretakati le iz bolj segretih teles v manj segreta telesa. Potem nihče ni pomislil na preprosto stvar: če je ta ključni postulat pravilen, se bodo sčasoma temperature vseh teles izenačile - in, kot pravijo, amen. Vendar, če bi kdo pomislil na to, bi mu razumno ugovarjal, da Božji načrt ne more vsebovati takšne neumnosti - in ob tem bi se vsi pomirili.

Z eno besedo, koncept kalorične snovi v znanosti je udobno ogret. Zato naš Lomonosov s svojo rustikalno preprostostjo ni sodil v to idilo. Konec koncev se določenih konceptov ni držal, raziskoval jih je – in v zameno ponujal ustreznejše. V "Razmišljanjih o vzroku toplote in mraza" (1744) je Lomonosov jasno oblikoval vzrok toplote - to je "" telesnih delcev. Mimogrede, takoj je naredil fenomenalen sklep: "". Danes se uporablja bolj znanstveni izraz - "temperatura absolutne nič", vendar se ime Lomonosov ne omenja. Navsezadnje je imel nepremišljenost uničiti koncept kalorične snovi! Torej je zapisal, da filozofi niso pokazali - "". "" Če bi filozofi takrat uporabili metode kvantne mehanike, bi prišli do neke vrste "zmanjšanje toplotne funkcije". Čeprav je kljub vsemu "srednjeveškemu mračnjaštvu" veljalo za nespodobno, da je tako odkrito idiotski - postalo je običajno šele v dvajsetem stoletju. Čakanje je bilo še dolgo … In Lomonosov je rešil naslednjo zablodo - o teži "kalorične snovi". "". Aja, znani Robert Boyle je naredil nekaj narobe: ko je kovina pražena, na njej nastane luska, teža vzorca pa se poveča – vendar zaradi snovi, ki je bila dodana kot posledica oksidativne reakcije. "", Poleg tega "". Toda Lomonosov je tudi nadzoroval "".

V primerjavi s temi uničujočimi argumenti je bila celotna doktrina o kalorični snovi otroško blebetanje - to so razumeli celo vajenci v kemičnih laboratorijih. Toda akademski mojstri niso priznali Lomonosove pravice - modro so smrtno molčali. "V primeru se nimamo kaj prepirati," so ugotovili. "Toda ne more biti, da smo vsi bedaki, on pa je edini genij." Poleg tega je ta misel obsesivno prihajala do vseh akademskih voditeljev. Čeprav se akademiki niso dogovorili, se je navzven to izkazalo kot stodolarska svetovna zarota. In vsi so bili najbolj pošteni in plemeniti ljudje. Kar se tiče izbire - drug drugega smo bolj pošteni in plemeniti. Pošten je vozil na poštenega in vozil plemenitega.

Vzemimo Eulerja, ki je veljal za prijatelja Lomonosova. Ko je Pariška akademija znanosti objavila natečaj za najboljše delo o naravi toplote, je zmagala na natečaju in prejela Eulerjevo nagrado, ki je v predstavljenem delu zapisal: "" (1752). Toda ta primer Euler je bil izjema. Preostali "pošteni in plemeniti" so molčali in potrpežljivo čakali na smrt Lomonosova (1765). In šele potem, ko so čakali nadaljnjih sedem let, da bi bili zvesti, so se spet začeli ukvarjati s kurilnimi snovmi. Vidite, nemogoče je bilo priznati, da je imel Lomonosov prav. Zdaj, če bi naredil kakšno malenkost – na primer razkril zablode istega Boyla, in to je to –, bi bil Lomonosov zakon zdaj v učbenikih, tako kot zakon Boyle-Mariotte. In Lomonosov se je odnesel in z lopato prekril vso znanost tistega časa. Strinjam se, ne pišite v učbenike "prvi zakon Lomonosov", "drugi zakon Lomonosov" itd. - ko gre rezultat na več deset! Študentje se bodo zmedli! Zato so sveža eksperimentalna dejstva, ki bi jih lahko interpretirali v duhu kalorične snovi, minila s pokom.

In obstaja nekaj dejstev. V tistih časih so imeli naravoslovci modo: zmešati takšno in drugačno količino hladne vode s to in to količino vroče vode - in določiti nastalo temperaturo mešanice. Izkušnje so potrdile Richmanovo formulo: temperaturna vrednost je bila tehtano povprečje – v konkretnem primeru je bila pri enakih količinah hladne in tople vode aritmetično povprečje. In tako: kemik Black, nato pa tudi kemik Wilke, sta začela preverjati Richmannovo formulo za primer mešanja vroče vode ne s hladno vodo, ampak z ledom - in odločila, da je pri tališču "ta led, ta voda je eno sranje«. Rezultat je bil - danes lahko rečemo zagotovo - popolnoma osupljiv. Končna temperatura vode za primer začetne enake teže ledu pri 0^OC in voda pri 70^OIzkazalo se je, da je C daleč od aritmetične sredine - izkazalo se je, da je enak 0^OS. Osupljivo? In potem! Umi so bili tako temni, da so se navdušeno predali konceptu "latentne toplote talečega se ledu". Po tem konceptu za taljenje ledu ni dovolj, da ga segrejemo na temperaturo taljenja, kar bo zahtevalo, da se mu v skladu z njegovo toplotno zmogljivostjo sporoči določena količina kalorične snovi - bo tudi potrebnih za poganjanje dodatne ogromne količine kalorične snovi v led, ki bo šla v samo taljenje. Res je, da se med taljenjem temperatura ledu ne spremeni, termometri pa ne reagirajo na to dodatno kalorično snov - zato se toplota taljenja imenuje "latentna". Vse je premišljeno! In kar je najpomembneje, izkušnje potrjujejo: kam, pravijo, gre oskrba s toploto vode pri 70^OC, če ne taljenje ledu ?! Tako smo našli številčno vrednost njegove latentne fuzijske toplote. Akademiki so jokali od veselja - zatiskali so si oči pred dejstvom, da logika Blacka in Wilkeja deluje pod nujno predpostavko: količina toplote v naravi je ohranjena. S to zmotno predpostavko so Black in Wilkejevi rezultati res potrdili prisotnost kalorične snovi. Vse se je začelo znova. Vendar Lomonosovova prizadevanja niso bila zaman: sedanji kalorični snovi so pripisali tako specifični lastnosti, kot je odsotnost teže - sicer se je v resnici izkazalo smešno. In namesto kalorične snovi so izpustili breztežno kalorično tekočino, za katero so izbrali primerno ime: kalorična. In postajale so vedno lepše kot prej.

Zakaj se o tem pogovarjamo tako podrobno? Ker je koristno vedeti, kako se je ta igra o latentnih toplotah transformacij agregatov pojavila v fiziki - kar še vedno velja za znanstveno resnico. O »znanstveni naravi« te »resnice« bomo morali povedati nekaj besed.

Predstavljajte si: notranji kozarec kalorimetra vsebuje vodo in led - v toplotnem ravnovesju drug z drugim in s pufrsko snovjo. Zanemarljiv dvig temperature, vse do t.i. likvidusne točke - in fazno ravnotežje med ledom in vodo bo porušeno: led se bo začel topiti. Od kod bo prišla toplota za to taljenje? Iz puferske snovi ali kaj? Toda potem se bo njegova temperatura znižala in pretok toplote "za taljenje" se bo ustavil. Pravzaprav se bo ves led stopil, temperatura pa bo ostala na točki likvidusa. Škandal!

Morda današnji akademiki menijo, da je ta rezultat nekakšna nadležna izjema, saj se v drugih primerih, pravijo, konci srečajo popolnoma - na primer pri izračunu toplotne bilance zvezde tau-Ceti. Ne, dragi, tukaj se ne boste znebili z "izjemo". Po vašem mnenju bi moral nastajanje ledu v odprtih vodnih telesih spremljati tudi toplotni učinek - šele zdaj bi se morala sprostiti ista "toplota fuzije". Vi, dragi moji, ste se potrudili ugotoviti – do kakšnih rezultatov naj bi to pripeljalo? Led raste od spodaj, toplotna prevodnost ledu pa je dva reda velikosti slabša od vode. Zato je treba tako rekoč vso "toploto fuzije" spustiti v vodo pod ledom. Če referenčne vrednosti nadomestimo z najpreprostejšo enačbo toplotne bilance za obravnavani primer, se izkaže, da bi tvorba 1 mm plasti ledu povzročila segrevanje sosednje 1 mm plasti vode za 70 stopinj (in 0,5 mm vodni sloj - kar 140 stopinj; vendar že pri 100^OZačelo bi vreti). Kako vam je všeč ta rezultat, dragi? Morda boste rekli, da nismo zaman upoštevali termičnega mešanja vode? Dejansko v razponu od 0^O do 4^OC, toplejša voda potone, hladnejša pa se dvigne. Kaj! Toda tudi v pogojih takšnega mešanja, če bi bil vir toplote na površini vode, bi bila voda zgoraj toplejša kot spodaj. V bistvu je tipičen arktični temperaturni profil v vodi pod ledom naslednji: voda v stiku z ledom ima temperaturo blizu ledišča in ko se globina poveča (znotraj določene plasti), se temperatura poveča. To je očiten dokaz: v vodo ni toplotnega toka iz ledu, niti iz rastočega ledu. Oceanologi so to spoznali že zdavnaj, zato so si izmislili takega norca: "". Kaj potem naredi ta toplota, ki se v regionalnem merilu izračuna v bilijonih kilokalorij - oceanologom ni več mar; naj se atmosferski inženirji še naprej ukvarjajo s to toploto. Lahko bi pomislili, da oceanologi ne vedo, da je toplotna prevodnost ledu dva reda velikosti slabša od vode. Kam se, se vprašamo, vedno znova odpravljajo arktične odprave in kaj tam delajo hidrologi skupaj z meteorologi – izrezujejo ledene skulpture, ali kaj?

In ni se treba mučiti na Arktiko, da bi se prepričali, da ne pride do sproščanja toplote, ko voda zamrzne. Na televiziji so MythBusters prikazali zelo ponovljivo izkušnjo. Steklenico prehlajenega tekočega piva lepo vzamemo iz hladilnika. Pobodeš čez to steklenico - in pivo v njej v nekaj sekundah zmrzne v ledene kosmiče. In steklenica ostane hladna … Ta izkušnja ima izjemno popularizacijsko moč. Ključne besede: "toplo, hladno, steklenica, pivo" - vse je zelo razumljivo. Tudi za današnje akademike.

Predstavljajte si, kako težko je tem akademikom: ker ni "latentne toplote fuzije", ne boste morali samo prepisati fizike za sedmi razred, ampak se tudi opravičevati - kako sta jih pretentala nekatera srednjeveška kemika Black in Wilke. In kako se lahko opravičujemo, če akademiki še vedno ne razumejo skrivnosti tega trika? V redu, pokažemo ti. Skrivnost je v tem, da je led pri 0^O, po mešanju z vročo vodo ne dvigne temperature: topi se pri stalni temperaturi. In dokler se popolnoma ne stopi, je vir hlajenja: voda v stiku z njo, ki je bila najprej vroča, postane topla, nato hladna, nato led … z enako začetno maso ledu pri 0^OC in voda pri 70^OС, bo vsa nastala voda pri 0^OC. Primer je, kot vidite, preprost. A ne, od nas zahtevajo pojasnilo – a od kod, pravijo, toplota, ki jo je imela topla voda? Prijatelji, to vprašanje bi bilo primerno, če bi v naravi deloval zakon o ohranjanju toplote. Toda toplotna energija se ne ohranja: prosto se pretvarja v druge oblike energije. Spodaj bomo ponazorili, da je zaprt sistem precej sposoben spreminjati svojo temperaturo - in to celo na različne načine.

In kar zadeva tako agregatno preoblikovanje snovi, kot je taljenje, je očitno, da ne potrebuje nobene "latentne toplote". Vzorec segrejte na tališče – in ga po potrebi vzdržujte – in vzorec se bo stopil brez pomoči. Tisti, ki so gledali filmski ep "Gospodar prstanov", se verjetno spomnite zadnjih sekund Prstana vsemogočnosti. Padel je v ustje "ognjedišne gore" - in zdaj leži tam, leži … segreje, segreje … in končno - čop! In namesto obroča - že širjenje kapljic. Ta scena je bila za filmske ustvarjalce zelo uspešna. Popoln občutek resničnosti!

(Odlomek z prstanom si lahko ogledate na povezavi:

Zlato ima dobro toplotno prevodnost, prstan pa je bil majhen, tako da se je naenkrat segrel v celoti. In takoj v celotnem volumnu se je segrelo do tališča - takoj in stopljeno, brez nepotrebnih toplotnih zahtev. Mimogrede, očividci segrevanja odpadne kovine, na primer aluminija v indukcijskih pečeh, pričajo: ne topi se postopoma, kaplja za kapljico - nasprotno, štrleči drobci začnejo plavati in takoj teči po celotnem volumnu. V primeru ledu odsotnost nepotrebnih toplotnih potreb za taljenje ni očitna preprosto zato, ker je toplotna prevodnost ledu veliko slabša kot pri kovinah. Zato se led postopoma topi, kaplja za kapljico. Toda načelo je enako: kar se segreje do tališča - potem se takoj stopi.

O. Kh. Derevensky

Preberite v celoti