Doháňanie tepla

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

"Dnes sa deti učia správne predstavy o teple už v siedmom ročníku."

(Zo zbierky „Vtipy veľkých vedcov“)

… Kazašská step spálená od Slnka. Vedci z malej expedičnej skupiny, ktorí si utierajú pot, pozorujú saigy. Títo vedci vykonávajú zodpovedný vedecký výskum. Experimentálne chcú potvrdiť slová akademika Timiryazeva: „“.

Metodika našich vedcov nie je nikde jednoduchšia. Sledujú, koľko trávy zvieratá jedia vo svojom prirodzenom prostredí. Kalorický obsah tohto krmiva – t.j. množstvo tepla, ktoré sa uvoľní pri jeho spaľovaní v kalorimetri, je už vedcom známe. Zostáva len porovnať množstvo tejto „potenciálnej energie“obsiahnutej v potrave saigy s prácou, ktorú počas života vyprodukujú jej svaly.

Ale … čím dlhšie vedci pozorovali, tým boli melancholickejší. Vidíte, tieto saigy sa nejako mýlili. Jedli málo - počet kalórií v ich dávkach sa ukázal byť niekoľkonásobne nižší ako spotreba energie ich svalov. Tukové zásoby s tým nemajú nič spoločné – aké sú vaše tukové zásoby v lete? Najurážlivejšou vecou bolo, že saigy prevrátili všetky „vedecky podložené normy“: obsah kalórií v ich potrave zjavne nestačil na život a vyzerali celkom veselo … Tu je očarujúca saiga, ktorá elegantne žmurká na vedcov zdvihol chvost a vydal ďalšiu dávku hovienka. „Videli ste, čo robí? - neodolal jeden pozorovateľ. - Vysmieva sa nám, prežúvavce! -"Upokoj sa, kolega! - odpovedal druhý. - Naopak, ona nám hovorí: experiment sme nedotiahli do konca! Toto … seno prešlo cez kravu - to, vysušené, tiež horí! Miestni ho používajú ako palivo!" - "Chcete povedať, kolega, že toto … toto veľmi … má aj obsah kalórií?" -"Presne tak! A my to zmeriame!"

Len čo sa povie, tak urobí. Kalorimeter sa nebavil, keď v ňom pálili hovienka - ale kvôli vede som musel vydržať. Ešte menej zábavy však mali vedci, keď sa presvedčili, že obsah kalórií v hovienku je rovnaký ako obsah kalórií v pôvodnom krmive. Ukázalo sa, že na úrovni Timiryazevovej „potenciálnej energie obsiahnutej v organickej hmote“zviera nielenže spotrebuje oveľa menej, ako je potrebné na prácu jeho svalov, ale toľko, koľko spotrebuje, aj uvoľní. To znamená, že na prácu svalov nezostáva absolútne nič. Naši vedci si boli dobre vedomí toho, že takéto kuriózne závery neboli pre ich správy. Preto si nasypali na vlasy popol – tie isté pripálené hovienka – a tým to skončilo.

A zatiaľ je situácia týkajúca sa „kalorického obsahu jedla“akási kocovina. Ak sa spýtate odborníkov na výživu, koľko kalórií denne by ste mali prijať s jedlom, aby ste „zaručene schudli do dvoch týždňov“, všetko vám podrobne vysvetlia – navyše, berú to lacno a ani okom nemrknú.. Ich práca je takáto… My sa však akademikov pýtame: odkiaľ pochádzajú kalórie, ktoré saigy používajú na chôdzu, žuvanie a zdvíhanie chvostov? A akademici túto otázku nemajú veľmi radi. Bolestne je pre nich nepríjemný. Maximálne, čo z nich môžete dosiahnuť, je apel na skutočnosť, že živé organizmy sú, ako hovoria, najzložitejšie vysoko organizované systémy, a preto, ako hovoria, ešte nie sú dostatočne prebádané. Takže vy, ujovia, v rámci skúmania živých organizmov sa držíte mamy o výsledkoch kalorimetrických meraní, ako sú tie popísané vyššie? Alebo sa bojíte, že sa budete musieť červenať, keď sa vám budú deti smiať? No a tu je pre vás osvedčený ľudový liek: potierajte si cviklový náhubok – ak sa budete červenať, nebude to také nápadné.

Ako prišli akademici k tomuto životu? Dobre, aj keď sú pre nich živé organizmy príliš ťažké. Ale v neživej látke, ktorá podlieha pôsobeniu iba fyzikálnych a chemických zákonov – majú byť potom otázky s kalóriami úplne transparentné? Nehovoríme o javoch, ktoré sa vyskytujú v urýchľovačoch a urýchľovačoch. Toto sú fenomény, ktoré si každý môže zreprodukovať vo vlastnej kuchyni. Zdalo by sa, že kolosálne praktické skúsenosti mali byť pretavené do úplne jasných predstáv o teple. My vám však prezradíme, ako sa tento zážitok skutočne formoval.

Aj antickí filozofi sa v otázke povahy tepla rozdelili na dva tábory. Niektorí verili, že teplo je nezávislá látka; čím viac je v tele, tým je teplejšie. Iní verili, že teplo je prejavom nejakej vlastnosti vlastnej hmoty: v danom stave hmoty je telo chladnejšie alebo teplejšie. V stredoveku dominoval prvý z týchto konceptov, čo je ľahké vysvetliť. Koncepcie štruktúry hmoty na atómovej a molekulárnej úrovni boli vtedy úplne nerozvinuté – a preto bolo záhadou, že vlastnosť hmoty môže byť zodpovedná za teplo. Filozofi sa v drvivej väčšine neobťažovali s hľadaním tejto záhadnej vlastnosti – ale vedení stádovým inštinktom sa držali príhodnej koncepcie tepla ako „výhrevnej hmoty“.

Ach, ako húževnato sa toho držali – ku kŕčom v úchopových svaloch. Pochopte: výhrevná hmota sa takpovediac prenáša z horúcich telies do studených, keď sa dostanú do kontaktu. Čím viac kalorickej hmoty v tele, tým vyššia je telesná teplota. čo je teplota? A to je len miera obsahu kalorickej hmoty. Ak sa výhrevné látky prenášajú sprava doľava, potom je vpravo vyššia teplota. A naopak. Ak sa výhrevné látky neprenášajú ani doprava, ani doľava, potom sú teploty vpravo a vľavo rovnaké. Nech sa ukáže, že pojmy „výhrevnosť“a „teplota“sú spojené logickým začarovaným kruhom, ale inak bolo všetko úžasné. Dokonca bolo možné vyvodiť praktické závery: na zahriatie telesa je potrebné pridať doň výhrevnosť - v porovnaní s tým, čo už má. A na takýto prídavok je potrebné viac zohriate teleso, inak sa výhrevnosť neprenesie. Zažiarte! Na základe týchto myšlienok boli vyrobené funkčné tepelné motory! Bol dokonca sformulovaný princíp nezničiteľnosti výhrevných látok, teda vlastne zákon zachovania tepla!

Samozrejme, dnes sa nám ľahko hovorí o naivite týchto stredovekých vrtochov. Dnes vieme, že teplo je jednou z foriem energie a zákon zachovania energie neplatí pre žiadnu z jeho foriem. Tento zákon funguje pre energiu ako celok – berúc do úvahy skutočnosť, že niektoré formy energie možno premeniť na iné. Ale v tej dobe, keď sa výhrevná hmota považovala za neoddeliteľnú súčasť vesmíru, princíp jej nezničiteľnosti, kvôli nárokom na univerzálny rozsah, viedol filozofov k úžasu. Na experimentálne potvrdenie tohto princípu – pravda, nie v univerzálnom, ale v lokálnom meradle – boli vynájdené a uvedené do používania tieto boxy s dvojitým dnom, nazývané kalorimetre.

Je to úžasné: v priebehu vedecko-technického pokroku, od mechanických stopiek, najskôr prešli na quartz a potom na atómové hodiny, z pások na meranie zeme prešli na laserové diaľkomery a potom na prijímače GPS - a len kalorimetre sa otočili absolútne nenahraditeľné v otázke priameho stanovenia tepelných účinkov. Doteraz slúžia kalorimetre svojim používateľom verne: používatelia im veria a myslia si, že s ich pomocou poznajú pravdu. A v stredoveku boli vymodlené, chránené pred zlým okom a dokonca aj fumigované kadidlom - čo však veľmi nepomáhalo. Tu sa pozrite: skúmaný proces prebiehal v pohári s tepelne vodivými stenami, ktorý bol vo vnútri veľkého pohára naplneného tlmivou látkou. Ak sa počas skúmaného procesu uvoľnila alebo absorbovala výhrevná látka, potom sa teplota pufrovacej látky zvýšila alebo znížila. Nameranou hodnotou bol v oboch prípadoch teplotný rozdiel tlmivej látky pred a po skúmanom procese - tento rozdiel bol stanovený pomocou teplomera. Voila! Je pravda, že rýchlo sa zistila mierna ťažkosť. Merania sa opakovali s rovnakým testovacím procesom, ale s rôznymi tlmivými látkami. A ukázalo sa, že rovnaké hmotnosti rôznych tlmivých látok, ktoré získavajú rovnaké množstvo výhrevných látok, sa zahrievajú o rôzne stupne. Bez rozmýšľania zaviedli majstri tepelných záležitostí do vedy ešte jednu vlastnosť látok - tepelnú kapacitu. Je to celkom jednoduché: tepelná kapacita je väčšia pre látku, ktorá obsahuje viac výhrevných látok, aby sa zohriala o rovnaký počet stupňov, pričom všetky ostatné veci sú rovnaké. Počkať počkať! Potom na stanovenie tepelného účinku kalorimetrickou metódou je potrebné vopred poznať tepelnú kapacitu tlmivej látky! Ako vieš? Aj na túto otázku dali tepelní majstri bez namáhania odpoveď. Rýchlo pochopili, že ich boxy sú dvojúčelové zariadenia, ktoré sú vhodné na meranie nielen tepelných účinkov, ale aj tepelných kapacít. Ak totiž zmeriate teplotný rozdiel vyrovnávacej látky a poznáte množstvo ňou absorbovanej látky generujúcej teplo, potom je požadovaná tepelná kapacita na vašom striebornom podnose! A tak sa aj stalo: tepelné účinky sa merali na základe znalosti tepelných kapacít a tepelné kapacity boli rozpoznané na základe meraní tepelných účinkov. A keby sa niekto nie zo zlomyseľnosti, ale čisto zo zvedavosti spýtal: „Čo ste merali ako prvé – teplo alebo tepelnú kapacitu?“- potom mu odpovedali v tomto duchu: "Počúvaj, chytrák, čo bolo skôr - sliepka alebo vajce?" - a múdry pochopil, že nemá klásť hlúpe otázky.

Stručne povedané: ak sa nepýtate hlúpe otázky, potom v kalorimetrickej metóde bolo všetko v poriadku, s výnimkou jednej nuansy. Táto metóda bola od začiatku založená na kľúčovom postuláte, že výhrevná hmota je schopná prúdiť len z viac zohriatych telies do menej ohriatych. Potom nikoho nenapadla jednoduchá vec: ak je tento kľúčový postulát správny, časom sa teploty všetkých telies vyrovnajú – a ako sa hovorí, amen. Ak by to však niekoho napadlo, rozumne by mu namietal, že Boží plán nemôže obsahovať takú hlúposť – a v tomto by sa každý upokojil.

Jedným slovom, pojem výhrevnosť vo vede je pohodlne zahriaty. Náš Lomonosov sa preto svojou rustikálnou jednoduchosťou do tejto idylky nehodil. On sa totiž istých konceptov nedržal, skúmal ich – a ponúkal na oplátku adekvátnejšie. V "Úvahách o príčine tepla a chladu" (1744) Lomonosov jasne formuloval príčinu tepla - čo je "" telesných častíc. Mimochodom, okamžite urobil fenomenálny záver: „“. Dnes sa používa viac vedecký termín - "absolútna nulová teplota", ale meno Lomonosova sa neuvádza. Koniec koncov, mal tú nerozumnosť zničiť koncept výhrevnej hmoty! Takže napísal, že filozofi neukázali - "". „“Keby vtedy filozofi použili metódy kvantovej mechaniky, prišli by s nejakým druhom „zníženia tepelnej funkcie“. Hoci sa pri všetkom „stredovekom tmárstve“považovalo za neslušné, že je tak úprimne idiotské – samozrejmosťou sa stalo až v dvadsiatom storočí. Čakalo sa ešte dlho … A Lomonosov vyriešil nasledujúci blud - o hmotnosti "výhrevnej hmoty". "". Bohužiaľ, známy Robert Boyle urobil niečo zlé: keď sa kov praží, tvorí sa na ňom vodný kameň a hmotnosť vzorky sa zvyšuje - ale kvôli látke pridanej v dôsledku oxidačnej reakcie. "", Navyše "". Ale Lomonosov tiež kontroloval "".

V porovnaní s týmito zničujúcimi argumentmi bola celá doktrína o výhrevnosti detinské bľabotanie – to pochopili aj učni v chemických laboratóriách. Ale akademickí majstri neuznali Lomonosovovu pravdu - múdro zachovávali smrteľné ticho. "V tomto prípade sa nemáme o čom hádať," usúdili. "Ale nemôže sa stať, že sme všetci blázni a on jediný je génius." Navyše táto myšlienka obsedantne prišla na všetky akademické hlavy. Akademici sa síce nedohodli, no navonok sa to prejavilo ako stodolárové svetové sprisahanie. A všetci to boli tí najčestnejší a najušľachtilejší ľudia. Čo sa týka výberu – jeden k druhému je čestnejší a ušľachtilejší. Poctivý jazdil na poctivom a vozil ušľachtilého.

Vezmite si Eulera, ktorý bol považovaný za priateľa Lomonosova. Keď Parížska akadémia vied vyhlásila súťaž o najlepšiu prácu o povahe tepla, súťaž vyhrala a získala Eulerovu cenu, ktorý v predloženej práci napísal: „“(1752). Ale tento prípad Euler bol výnimkou. Zvyšok „čestných a vznešených“mlčal a trpezlivo čakal na smrť Lomonosova (1765). A až potom, keď čakali ďalších sedem rokov, aby boli verní, opäť začali svoju hurhaju o výhrevnosti. Vidíte, nebolo možné pripustiť, že Lomonosov mal pravdu. Ak by teraz urobil nejakú maličkosť - napríklad odhalil bludy toho istého Boyla, a to je všetko - potom by bol Lomonosovov zákon teraz v učebniciach, rovnako ako Boyleov-Mariottov zákon. A Lomonosov sa nechal uniesť a odhodil celú vedu tej doby. Súhlaste, nepíšte do učebníc „prvý zákon Lomonosov“, „druhý zákon Lomonosov“atď. - keď skóre ide na veľa desiatok! Študenti budú zmätení! Čerstvé experimentálne fakty, ktoré by sa dali interpretovať v duchu výhrevnosti, preto obišli s ranou.

A existuje niekoľko faktov. V tých časoch mali prírodovedci módu: miešať také a také množstvo studenej vody s takým a takým množstvom horúcej vody – a určiť výslednú teplotu zmesi. Skúsenosti potvrdili Richmanov vzorec: hodnota teploty bola váženým priemerom - v konkrétnom prípade pri rovnakom množstve studenej a teplej vody to bol aritmetický priemer. A tak: chemik Black a potom aj chemik Wilke začali preverovať Richmannov vzorec pre prípad miešania horúcej vody nie so studenou vodou, ale s ľadom – rozhodli, že pri bode topenia „ten ľad, tá voda je svinstvo“. Výsledok vyšiel – dnes sa dá s istotou povedať – úplne ohromujúci. Konečná teplota vody v prípade počiatočných rovnakých hmotností ľadu pri 0^OC a voda pri 70^OC sa ukázalo byť ďaleko od aritmetického priemeru - ukázalo sa, že sa rovná 0^OS. Ohromujúce? A potom! Myseľ bola taká temná, že sa s nadšením vzdala konceptu „latentného tepla topiaceho sa ľadu“. Podľa tejto koncepcie na roztopenie ľadu nestačí zahriať ho na teplotu topenia, čo si bude vyžadovať odovzdanie určitého množstva výhrevnosti v súlade s jeho tepelnou kapacitou - bude tiež potrebné na hnanie ďalšieho obrovského množstva výhrevných látok do ľadu, ktoré pôjde do samotného topenia. Pravda, počas topenia sa teplota ľadu nemení a teplomery na túto dodatočnú výhrevnosť nereagujú – preto sa teplo topenia nazýva „latentné“. Všetko je premyslené! A čo je najdôležitejšie, skúsenosti potvrdzujú: kde sa hovorí, že dodávka tepla vody ide na 70^OC, ak nie topiaci sa ľad?! Takto sme zistili číselnú hodnotu jeho latentného tepla topenia. Akademici plakali od radosti a zatvárali oči pred skutočnosťou, že logika Blacka a Wilkeho funguje na nevyhnutnom predbežnom predpoklade: množstvo tepla v prírode je zachované. S týmto klamným predpokladom výsledky Blacka a Wilkeho skutočne potvrdili prítomnosť kalorickej hmoty. Všetko sa začalo odznova. Lomonosovove snahy však neboli márne: súčasná výhrevnosť sa pripisovala takej špecifickej vlastnosti, akou je absencia hmotnosti – inak to v skutočnosti dopadlo vtipne. A vypustili namiesto kalorickej hmoty beztiažovú kalorickú tekutinu, pre ktorú zvolili výstižný názov: kalorický. A boli čoraz krajšie ako predtým.

Prečo o tom hovoríme tak podrobne? Pretože je užitočné vedieť, ako sa táto hra o latentných teploch agregovaných transformácií objavila vo fyzike - čo sa stále považuje za vedeckú pravdu. Budeme musieť povedať pár slov o „vedeckej povahe“tejto „pravdy“.

Predstavte si: vnútorné sklíčko kalorimetra obsahuje vodu a ľad – v tepelnej rovnováhe medzi sebou a s tlmivou látkou. Zanedbateľný nárast teploty, až do tzv. likvidné body - a naruší sa fázová rovnováha medzi ľadom a vodou: ľad sa začne topiť. Odkiaľ bude pochádzať teplo na toto tavenie? Z tlmiacej látky, alebo čo? Potom však jeho teplota klesne a tok tepla „na topenie“sa zastaví. V skutočnosti sa všetok ľad roztopí a teplota zostane na bode likvidu. Škandál!

Možno súčasní akademici považujú tento výsledok za akúsi nepríjemnú výnimku, keďže v iných prípadoch sa podľa nich dokonale stretávajú – napríklad pri výpočte tepelnej bilancie hviezdy tau-Ceti. Nie, vážení, tu nevystúpite s „výnimkou“. Podľa vášho názoru by tvorba ľadu v otvorených vodných útvaroch mala byť sprevádzaná aj tepelným efektom - až teraz by sa malo uvoľniť rovnaké „teplo fúzie“. Vy, moji drahí, ste si dali tú námahu, aby ste zistili – k akým výsledkom by to malo viesť? Ľad rastie zdola a tepelná vodivosť ľadu je o dva rády horšia ako tepelná vodivosť vody. Preto by sa do vody pod ľadom malo uvoľniť prakticky všetko „teplo topenia“. Ak referenčné hodnoty dosadíme do najjednoduchšej rovnice tepelnej bilancie pre uvažovaný prípad, ukáže sa, že tvorba 1 mm vrstvy ľadu by spôsobila zahriatie susednej 1 mm vrstvy vody o 70 stupňov (a 0,5 mm vodná vrstva - až 140 stupňov, avšak už pri 100^OZačalo by to vrieť). Ako sa vám páči tento výsledok, drahí? Možno si poviete, že sme nadarmo nepočítali s termálnym miešaním vody? Skutočne, v rozsahu od 0^O až 4^OC, teplejšia voda klesá a studená stúpa. Aké! Ale aj za podmienok takéhoto miešania, ak by na povrchu vody bol zdroj tepla, voda nad ňou by bola teplejšia ako pod ňou. V skutočnosti je typický arktický teplotný profil vo vode pod ľadom nasledovný: voda v kontakte s ľadom má teplotu blízku bodu mrazu a so zväčšovaním hĺbky (v rámci určitej vrstvy) sa teplota zvyšuje. To je zjavný dôkaz: do vody nedochádza k tepelnému toku z ľadu, dokonca ani z rastúceho ľadu. Oceánológovia si to uvedomili už dávno, a tak vymysleli takého blázna: „“. Čo robí toto teplo ďalej, ktoré sa v regionálnom meradle počíta v biliónoch kilokalórií – oceánológov už nezaujíma; nech sa atmosférickí inžinieri týmto teplom ďalej zaoberajú. Niekto by si mohol myslieť, že oceánológovia nevedia, že tepelná vodivosť ľadu je o dva rády horšia ako vodivosť vody. Čuduje sa, kam smerujú arktické výpravy znova a znova a čo tam robia hydrológovia spolu s meteorológmi - vysekávajú ľadové sochy alebo čo?

A nie je potrebné plahočiť sa do Arktídy, aby ste sa uistili, že pri zamrznutí vody nedochádza k uvoľňovaniu tepla. V televízii, MythBusters ukázali vysoko reprodukovateľný zážitok. Z chladničky sa úhľadne vyberie fľaša podchladeného tekutého piva. Prepichnete túto fľašu – a pivo v nej za pár sekúnd zamrzne na ľadové vločky. A fľaša zostane studená… Tento zážitok má obrovskú popularizačnú silu. Kľúčové slová: „teplé, studené, fľaša, pivo“- všetko je veľmi zrozumiteľné. Aj pre dnešných akademikov.

Predstavte si, aké ťažké to majú títo akademici: keďže neexistuje žiadne „latentné teplo fúzie“, budete musieť nielen prepisovať fyziku pre siedmy ročník, ale aj sa ospravedlňovať – ako ich niektorí stredovekí chemici Black a Wilke oklamali. A ako sa možno ospravedlniť, ak akademici stále nechápu tajomstvo tohto triku? Dobre, ukážme vám to. Tajomstvo je, že ľad na 0^O, po zmiešaní s horúcou vodou nezvyšuje svoju teplotu: topí sa pri konštantnej teplote. A kým sa úplne neroztopí, je zdrojom chladenia: voda v kontakte s ním, ktorá bola najprv horúca, sa ohreje, potom ochladí, potom ľad… s rovnakými počiatočnými hmotnosťami ľadu pri 0^OC a voda pri 70^OС, všetka výsledná voda bude mať 0^OC. Prípad, ako vidíte, je jednoduchý. Ale nie, dožadujú sa od nás vysvetlenia – ale kde sa vraj vzalo teplo, ktoré mala teplá voda? Priatelia, táto otázka by bola na mieste, ak by v prírode fungoval zákon zachovania tepla. Tepelná energia sa však nešetrí: voľne sa premieňa na iné formy energie. Nižšie ukážeme, že uzavretý systém je celkom schopný meniť svoju teplotu – a to dokonca rôznymi spôsobmi.

A čo sa týka takej agregátnej premeny hmoty, akou je topenie, je zrejmé, že nepotrebuje žiadne „latentné teplo“. Zahrejte vzorku na jej teplotu topenia - a v prípade potreby ju udržujte - a vzorka sa roztopí bez pomoci. Tí, ktorí sledovali filmový epos „Pán prsteňov“, si pravdepodobne pamätajú posledné sekundy Prsteňa všemohúcnosti. Spadol do úst „oheň chrliacej hory“- a teraz tam leží, leží … zahrieva sa, zahrieva … a nakoniec - žmolí! A namiesto krúžku - už sa šíria kvapôčky. Táto scéna bola pre filmárov veľmi úspešná. Plný zmysel pre realitu!

(Úryvok s prsteňom si môžete pozrieť na odkaze:

Zlato má dobrú tepelnú vodivosť a prsteň bol maličký, takže sa zohrial celý naraz. A hneď v celom objeme sa zahriala na bod topenia - okamžite a roztavená, bez zbytočných tepelných nárokov. Mimochodom, očití svedkovia zahrievania kovového odpadu, napríklad hliníka v indukčných peciach, dosvedčujú: netaví sa postupne, po kvapkách - naopak, vyčnievajúce úlomky sa začnú vznášať a okamžite prúdiť v celom svojom objeme. V prípade ľadu nie je absencia zbytočných tepelných nárokov na topenie zjavná už len preto, že tepelná vodivosť ľadu je oveľa horšia ako u kovov. Preto sa ľad topí postupne, po kvapkách. Princíp je však rovnaký: čo sa zahreje na bod topenia - potom sa okamžite roztaví.

O. Kh. Derevensky

Prečítajte si úplne