Hvatanje topline

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

"Danas djeca uče ispravne ideje o toplini već u sedmom razredu."

(Iz zbirke "Vicevi velikih naučnika")

… Kazahstanska stepa spržena suncem. Naučnici iz male ekspedicione grupe, brišući znoj, posmatraju saige. Ovi naučnici sprovode odgovorna naučna istraživanja. Oni žele eksperimentalno potvrditi riječi akademika Timiryazeva: "".

Metodologija naših naučnika nije nigdje jednostavnija. Oni prate koliko trave životinje jedu u svom prirodnom okruženju. Sadržaj kalorija u ovoj hrani - tj. Količina toplote koja se oslobađa kada se sagori u kalorimetru je već poznata naučnicima. Ostaje samo uporediti količinu ove "potencijalne energije" sadržane u hrani saige sa radom koji njeni mišići proizvode tokom svog života.

Ali… što su naučnici duže posmatrali, postajali su melanholičniji. Vidite, ove saige su nekako pogriješile. Malo su jeli - pokazalo se da je broj kalorija u njihovim obrocima nekoliko puta manji od potrošnje energije njihovih mišića. Zalihe masti nisu imale nikakve veze s tim - kolike su vaše rezerve masti ljeti? Najuvredljivije je bilo to što su saige poništile sve "naučno utemeljene norme": kalorijski sadržaj njihove hrane očito nije bio dovoljan za život, a izgledale su prilično veselo … Evo šarmantne saige, koja graciozno namiguje naučnicima podižući rep i ispuštajući još jednu gomilu kakice. „Jeste li videli šta radi? - nije mogao da odoli jedan posmatrač. - Ruga nam se, preživare! - „Smiri se, kolega! - odgovorio je drugi. - Naprotiv, kaže nam: nismo doveli eksperiment do kraja! Ovo … sijeno je prošlo kroz kravu - ono, osušeno, takođe gori! Lokalni stanovnici ga koriste kao gorivo!" - "Hoćeš da kažeš, kolega, da i ovo … ovo baš … ima kalorijski sadržaj?" - "Upravo! I mi ćemo to izmjeriti!"

Ne pre rečeno nego učinjeno. Kalorimetar se nije zabavljao kada su zapalili kakicu u njemu - ali zbog nauke sam morao da izdržim. Međutim, istraživači su se još manje zabavili kada su se uvjerili da je kalorijski sadržaj izmeta isti kao i sadržaj kalorija u originalnoj hrani. Pokazalo se da na nivou Timiryazevljeve "potencijalne energije sadržane u organskoj materiji", životinja ne samo da troši mnogo manje nego što je potrebno za rad njenih mišića, već i oslobađa onoliko koliko potroši. Odnosno, mišićima ne preostaje apsolutno ništa da rade. Naši naučnici su bili itekako svjesni da takvi čudni zaključci nisu za njihove izvještaje. Stoga su kosu posipali pepelom - te iste izgorele kakice - i na tome je bio kraj.

I do sada je situacija u vezi sa "kalorijskim sadržajem hrane" neka vrsta mamurluka. Ako pitate nutricioniste koliko kalorija dnevno treba unositi hranom da biste "garantovano smršali za dvije sedmice", oni će vam sve detaljno objasniti - štoviše, uzimat će to jeftino i neće ni trepnuti. Njihov posao je ovakav… Ali pitamo akademike: odakle dolaze kalorije koje saige koriste za hodanje, žvakanje i podizanje repa? A akademicima se ovo pitanje baš i ne sviđa. Bolno, njemu je neprijatno za njih. Maksimum koji možete postići od njih je pozivanje na činjenicu da su živi organizmi, kažu, najsloženiji visokoorganizirani sistemi, pa stoga oni, kažu, još uvijek nisu dovoljno proučeni. Dakle, vi stričevi, u okviru proučavanja živih organizama, šutite o rezultatima kalorimetrijskih mjerenja poput onih gore opisanih? Ili se plašite da ćete morati da pocrvenite kada vam se deca smeju? E, evo vam proverenog narodnog leka: protrljajte njušku od cvekle - ako pocrvenite, neće biti tako primetno.

Kako su akademici došli u ovaj život? U redu, čak i ako su im živi organizmi preteški. Ali u neživoj tvari, koja je podložna djelovanju samo fizičkih i kemijskih zakona - da li bi onda pitanja s kalorijama trebala biti potpuno transparentna? Ne govorimo o fenomenima koji se nalaze u akceleratorima i sudaračima. Ovo su fenomeni koje svako može reproducirati u vlastitoj kuhinji. Čini se da je kolosalno praktično iskustvo trebalo ukalupiti u potpuno jasne ideje o toplini. Ali mi ćemo vam reći kako se ovo iskustvo zaista oblikovalo.

Čak su i antički filozofi u pitanju prirode topline bili podijeljeni u dva tabora. Neki su vjerovali da je toplina nezavisna supstanca; što ga je više u telu, to je toplije. Drugi su vjerovali da je toplina manifestacija nekog svojstva svojstvenog materiji: u datom stanju materije tijelo je hladnije ili toplije. U srednjem vijeku dominirao je prvi od ovih pojmova, što je lako objasniti. Koncepti strukture materije na atomskom i molekularnom nivou tada su bili potpuno nerazvijeni - i stoga je bila misterija to svojstvo materije koje bi moglo biti odgovorno za toplotu. Filozofi, u ogromnoj većini, nisu se trudili da pronađu ovo misteriozno svojstvo - već su se, vođeni instinktom stada, pridržavali zgodnog koncepta toplote kao "kalorične materije".

Oh, kako su se žilavo pridržavali toga - do grčeva u mišićima za hvatanje. Shvatite: toplotna tvar se, takoreći, prenosi sa toplih na hladna tijela kada dođu u kontakt. Što je više kalorijske tvari u tijelu, to je viša tjelesna temperatura. Šta je temperatura? A ovo je samo mjera za sadržaj kalorijske tvari. Ako se toplotna tvar prenosi s desna na lijevo, tada je temperatura viša na desnoj strani. I obrnuto. Ako se toplotna tvar ne prenosi ni desno ni lijevo, tada su temperature s desne i lijeve strane iste. Neka se ispostavi da su pojmovi "kalorične materije" i "temperature" povezani logičkim začaranim krugom, ali inače je sve bilo nevjerovatno. Čak je bilo moguće izvući praktične zaključke: da bi se tijelo zagrijalo, potrebno mu je dodati kaloričnu materiju - u poređenju s onim što već ima. A za takav dodatak potrebno je zagrijanije tijelo, inače se kalorijska tvar neće prenijeti. Sijati! Na osnovu ovih ideja napravljeni su radni toplotni motori! Čak je formulisan princip neuništivosti kalorične materije, odnosno, zapravo, zakon održanja toplote!

Naravno, danas nam je lako govoriti o naivnosti ovih srednjovjekovnih hira. Danas znamo da je toplota jedan od oblika energije, a zakon održanja energije ne funkcioniše ni za jedan od njenih oblika. Ovaj zakon radi za energiju u cjelini – uzimajući u obzir činjenicu da se neki oblici energije mogu pretvoriti u druge. Ali u ono doba kada se kalorična materija smatrala sastavnim dijelom Univerzuma, princip njene neuništivosti, zbog zahtjeva za univerzalnim opsegom, naveo je filozofe na strahopoštovanje. Za eksperimentalnu potvrdu ovog principa - istina, ne na univerzalnoj, već na lokalnoj razini - ove kutije s dvostrukim dnom, koje se nazivaju kalorimetri, izmišljene su i puštene u upotrebu.

Neverovatno: u toku naučnog i tehnološkog napretka, sa mehaničkih štoperica, prvo su prešli na kvarc, a potom na atomske satove, sa zemljanih traka na laserske daljinomere, a potom na GPS prijemnike - i okretali se samo kalorimetri. biti apsolutno nezamjenjiv u pitanju direktnog određivanja toplinskih efekata. Kalorimetri do sada vjerno služe svojim korisnicima: korisnici vjeruju u njih i misle da uz njihovu pomoć znaju istinu. A u srednjem vijeku za njih su se molili, štitili od zlog oka, pa čak i fumigirali tamjanom - što, međutim, nije puno pomoglo. Evo, pogledajte: proučavani proces se odvijao u staklu sa stijenkama koje provode toplinu, koje se nalazilo unutar velike čaše ispunjene puferskom tvari. Ako se tijekom procesa koji se proučava, ogrjevna tvar se oslobađa ili apsorbira, tada se temperatura puferske tvari povećava ili smanjuje. Izmjerena vrijednost u oba slučaja bila je temperaturna razlika puferske tvari prije i nakon proučavanog procesa - ta razlika je određena termometrom. Voila! Istina, vrlo brzo je otkrivena mala poteškoća. Mjerenja su ponovljena istim postupkom ispitivanja, ali s različitim puferskim supstancama. I pokazalo se da se iste težine različitih puferskih supstanci, uzimajući istu količinu kalorijske tvari, zagrijavaju za različite količine stupnjeva. Bez razmišljanja, majstori toplotnih poslova u nauku su uveli još jednu karakteristiku supstanci - toplotni kapacitet. Ovo je prilično jednostavno: toplinski kapacitet je veći za tvar koja sadrži više kalorijske tvari da bi se zagrijala za isti broj stupnjeva, pod uslovom da je sve ostalo jednako. Čekaj čekaj! Zatim, za određivanje toplotnog efekta kalorimetrijskom metodom, potrebno je unaprijed znati toplinski kapacitet puferske tvari! Kako znaš? Majstori topline su bez naprezanja dali odgovor i na ovo pitanje. Brzo su shvatili da su njihove kutije uređaji dvostruke namjene koji su pogodni za mjerenje ne samo termičkih efekata, već i toplotnih kapaciteta. Na kraju krajeva, ako izmjerite temperaturnu razliku puferske tvari i znate količinu tvari koja stvara toplinu koju apsorbira, onda je željeni toplinski kapacitet na vašem srebrnom tanjiru! Tako se i dogodilo: toplotni efekti su mereni na osnovu poznavanja toplotnih kapaciteta, a toplotni kapaciteti su prepoznavani na osnovu merenja toplotnih efekata. A kad bi neko, ne iz zlobe, već čisto iz radoznalosti, upitao: "Šta ste prvo izmjerili - toplinu ili toplinski kapacitet?" - onda mu je u ovom duhu odgovoreno: "Slušaj, pametnjakoviću, šta je prvo bilo - kokoška ili jaje?" - i mudrac je shvatio da ne treba postavljati glupa pitanja.

Ukratko: ako ne postavljate glupa pitanja, onda je u kalorimetrijskoj metodi sve bilo u redu, s izuzetkom jedne nijanse. Od samog početka, ova metoda se zasnivala na ključnom postulatu da je kalorična materija sposobna da teče samo iz više zagrejanih tela u manje zagrejana. Tada se niko nije dosjetio jednostavne stvari: ako je ovaj ključni postulat tačan, onda će se s vremenom temperature svih tijela izjednačiti - i, kako kažu, amen. Međutim, da je neko pomislio na to, razumno bi mu prigovorili da Božji plan ne može sadržati takvu glupost - i na to bi se svi smirili.

Jednom riječju, koncept kalorijske materije u nauci je ugodno zagrijan. Stoga se naš Lomonosov svojom rustičnom jednostavnošću nije uklapao u ovu idilu. Uostalom, on se nije pridržavao određenih koncepata, on ih je istraživao - a zauzvrat nudio adekvatnije. U "Razmišljanjima o uzroku toplote i hladnoće" (1744) Lomonosov je jasno formulisao uzrok toplote - a to je "" čestica tela. Usput, odmah je napravio fenomenalan zaključak: "". Danas se koristi više naučni izraz - "apsolutna nulta temperatura", ali se ime Lomonosova ne spominje. Na kraju krajeva, imao je nerazboritost da uništi koncept kalorične materije! Dakle, napisao je da filozofi nisu pokazali - "". “” Da su filozofi tada koristili metode kvantne mehanike, došli bi do neke vrste “redukcije toplinske funkcije”. Iako se, uz sav "srednjevekovni mračnjaštvo", smatralo nepristojnim da je tako iskreno idiotski - postalo je uobičajeno tek u dvadesetom veku. Još se dugo čekalo… I Lomonosov je razriješio sljedeću zabludu - o težini "kalorične materije". "". Jao, dobro poznati Robert Boyle je učinio nešto pogrešno: kada se metal prži, na njemu se stvara kamenac, a težina uzorka se povećava - ali zbog supstance koja je dodana kao rezultat oksidativne reakcije. "", Štaviše, "". Ali Lomonosov je takođe kontrolisao "".

U poređenju sa ovim razornim argumentima, čitava doktrina kalorične materije bila je detinjasto brbljanje - čak su i šegrti u hemijskim laboratorijama to razumeli. Ali akademski majstori nisu prepoznali Lomonosovu u pravu - mudro su ćutali. „O ovom slučaju nemamo šta da raspravljamo“, zaključili su. "Ali ne može biti da smo svi mi budale, a samo on je genije." Štaviše, ova misao je opsesivno došla do svih akademskih čelnika. Iako se akademici nisu dogovorili, spolja se to manifestovalo kao svetska zavera od sto dolara. I svi su bili najpošteniji i najplemenitiji ljudi. Što se tiče selekcije - jedni drugima su pošteniji i plemenitiji. Pošten je vozio poštenog i vozio plemenitog.

Uzmimo Eulera, koji se smatrao Lomonosovljevim prijateljem. Kada je Pariska akademija nauka raspisala konkurs za najbolji rad o prirodi toplote, pobedila je na konkursu i dobila Ojlerovu nagradu, koji je u predstavljenom radu napisao: "" (1752). Ali ovaj Eulerov slučaj bio je izuzetak. Ostali "pošteni i plemeniti" su ćutali i strpljivo čekali smrt Lomonosova (1765.). I tek nakon toga, nakon što su čekali još sedam godina da budu vjerni, ponovo su krenuli u hardy-gurdy oko kalorijske materije. Vidite, bilo je nemoguće priznati da je Lomonosov bio u pravu. E sad, da je uradio bilo kakvu sitnicu – na primjer, razotkrio zablude istog tog Boylea, i to je to – onda bi Lomonosovov zakon sada bio u udžbenicima, kao i Boyle-Mariotteov zakon. A Lomonosov se zaneo i lopatom izvalio svu nauku tog vremena. Slažete se, nemojte pisati u udžbenicima "prvi zakon Lomonosova", "drugi zakon Lomonosova" itd. - kada rezultat ide na više desetina! Učenici će se zbuniti! Zato su svježe eksperimentalne činjenice, koje bi se mogle protumačiti u duhu kalorične materije, prošle s treskom.

I postoje neke činjenice. U to vrijeme, prirodnjaci su imali modu: pomiješati tu i takvu količinu hladne vode sa takvom i takvom količinom tople vode - i odrediti rezultujuću temperaturu mješavine. Iskustvo je potvrdilo Richmanovu formulu: vrijednost temperature je bila ponderisani prosjek - u konkretnom slučaju, sa jednakim količinama hladne i tople vode, to je bio aritmetički prosjek. I tako: hemičar Blek, a potom i hemičar Wilke, počeli su da proveravaju Richmanovu formulu za slučaj mešanja tople vode ne sa hladnom vodom, već sa ledom - odlučivši da je, na tački topljenja, „taj led, ta voda je jedno sranje”. Rezultat je ispao - danas se to sa sigurnošću može reći - apsolutno zapanjujući. Konačna temperatura vode za slučaj početne jednake težine leda na 0^OC i vode na 70^OIspostavilo se da je C daleko od aritmetičke sredine - pokazalo se da je jednako 0^OS. Zapanjujuće? I onda! Umovi su bili toliko mračni da su se s entuzijazmom predali konceptu "latentne topline topljenja leda". Prema ovom konceptu, da bi se led otopio, nije dovoljno zagrijati ga na temperaturu topljenja, što će zahtijevati da mu se prenese određena količina kalorične materije, u skladu s njegovim toplinskim kapacitetom - on će također biti neophodan za izbacivanje dodatne ogromne količine kalorične materije u led, koja će ići na samo topljenje. Istina, tokom topljenja, temperatura leda se ne mijenja, a termometri ne reagiraju na ovu dodatnu kaloričnu tvar - zato se toplina topljenja naziva "latentna". Sve je smišljeno! I, što je najvažnije, iskustvo potvrđuje: gdje, kažu, dovod topline vode ide na 70^OC, ako ne topljenje leda?! Tako smo pronašli numeričku vrijednost njegove latentne topline fuzije. Akademici su plakali od radosti - zatvarajući oči pred činjenicom da logika Blacka i Wilkea funkcionira pod neophodnom preliminarnom pretpostavkom: količina topline u prirodi je očuvana. Sa ovom zabludnom pretpostavkom, Black i Wilkeovi rezultati su zaista potvrdili prisustvo kalorične materije. Sve je počelo iznova. Međutim, Lomonosovljevi napori nisu bili uzaludni: sadašnjoj kalorijskoj tvari pripisivano je takvo specifično svojstvo kao što je odsustvo težine - inače je, u stvari, ispalo smiješno. I pustili su, umjesto kalorične materije, bestežinsku kaloričnu tekućinu, za koju su odabrali prikladno ime: kalorična. I postajale su sve ljepše nego prije.

Zašto pričamo o ovome tako detaljno? Zato što je korisno znati kako se ova igra o latentnim toplinama transformacija agregata pojavila u fizici – što se još uvijek smatra znanstvenom istinom. Moraćemo da kažemo nekoliko reči o „naučnoj prirodi“ove „istine“.

Zamislite: unutrašnje staklo kalorimetra sadrži vodu i led - u termalnoj ravnoteži jedno s drugim i sa puferskom tvari. Zanemarljiv porast temperature, do tzv. likvidus tačke - i fazna ravnoteža između leda i vode će biti narušena: led će početi da se topi. Odakle će doći toplina za ovo topljenje? Od puferske supstance, ili šta? Ali tada će njegova temperatura pasti, a protok toplote "za topljenje" će prestati. U stvari, sav led će se otopiti, a temperatura će ostati na likvidus tački. Skandal!

Možda današnji akademici ovaj rezultat smatraju nekom vrstom dosadnog izuzetka, jer se u drugim slučajevima, kažu, krajevi sastaju savršeno - na primjer, kada se izračuna toplinska ravnoteža zvijezde tau-Ceti. Ne, dragi moji, ovdje nećete proći sa "izuzetkom". Po vašem mišljenju, stvaranje leda u otvorenim vodnim tijelima također bi trebalo biti praćeno termičkim efektom - tek sada bi se trebala osloboditi ista "toplina fuzije". Vi ste se, dragi moji, potrudili da odgonetnete – do kakvih rezultata bi to trebalo da dovede? Led raste odozdo, a toplotna provodljivost leda je dva reda veličine lošija od vode. Stoga bi se praktično sva "toplina fuzije" trebala pustiti u vodu ispod leda. Ako referentne vrijednosti zamijenimo najjednostavnijom jednadžbom ravnoteže topline za slučaj koji se razmatra, ispada da bi formiranje sloja leda od 1 mm uzrokovalo zagrijavanje susjednog sloja vode od 1 mm za 70 stepeni (i Vodeni sloj od 0,5 mm - čak 140 stepeni; međutim, već na 100^OPočelo bi da ključa). Kako vam se sviđa ovaj rezultat, dragi moji? Možda ćete reći da nismo uzalud vodili računa o termičkom miješanju vode? Zaista, u rasponu od 0^O do 4^OC, toplija voda tone, a hladnija se diže. Kakva! Ali, čak i pod uslovima ovakvog mešanja, da postoji izvor toplote na površini vode, voda iznad bi bila toplija nego ispod. U stvari, tipičan arktički temperaturni profil u vodi ispod leda je sljedeći: voda u kontaktu sa ledom ima temperaturu blizu točke smrzavanja, a kako se dubina povećava (unutar određenog sloja), temperatura raste. Ovo je očigledan dokaz: nema toka toplote u vodu iz leda, čak ni iz rastućeg leda. Oceanolozi su to odavno shvatili, pa su izmislili takvu budalu: "". Šta dalje radi ova toplina, koja se računa, na regionalnoj skali, u trilionima kilokalorija - oceanologe više nije briga; neka se atmosferski inženjeri dalje bave ovom toplinom. Moglo bi se pomisliti da oceanolozi ne znaju da je toplotna provodljivost leda dva reda veličine lošija od one vode. Kuda, pita se, arktičke ekspedicije kreću iznova i iznova i šta tamo hidrolozi rade zajedno sa meteorolozima - seku li ledene skulpture, ili šta?

I nema potrebe da se mučite do Arktika kako biste bili sigurni da nema oslobađanja topline kada se voda smrzava. Na TV-u, MythBusters su prikazali vrlo ponovljivo iskustvo. Iz frižidera se uredno uzima flaša prehlađenog tečnog piva. Gurnete preko ove boce - i pivo u njoj se smrzne u ledene pahuljice za nekoliko sekundi. A boca ostaje hladna… Ovo iskustvo ima ogromnu popularizatorsku moć. Ključne reči: „toplo, hladno, flaša, pivo“- sve je vrlo razumljivo. Čak i za današnje akademike.

Zamislite koliko je teško ovim akademicima: pošto ne postoji "latentna toplota fuzije", ne samo da ćete morati da prepisujete fiziku za sedmi razred, već i da se pravdate - kako su ih neki srednjovekovni hemičari Blek i Vilke prevarili. I kako se opravdati ako akademici još uvijek ne razumiju tajnu tog trika? Ok, da ti pokažem. Tajna je da je led na 0^O, nakon što se pomiješa sa vrućom vodom, ne podiže temperaturu: topi se na konstantnoj temperaturi. I dok se potpuno ne otopi, on je izvor hlađenja: voda u dodiru s njom, koja je u početku bila vruća, postaje topla, zatim hladna, pa led… sa jednakim početnim težinama leda na 0^OC i vode na 70^OS, sva rezultirajuća voda bit će na 0^OC. Slučaj je, kao što vidite, jednostavan. Ali ne, od nas traže objašnjenje - ali odakle, kažu, toplina koju je imala topla voda? Prijatelji, ovo pitanje bi bilo relevantno kada bi zakon održanja toplote funkcionisao u prirodi. Ali toplotna energija se ne čuva: ona se slobodno pretvara u druge oblike energije. U nastavku ćemo ilustrirati da je zatvoreni sistem prilično sposoban promijeniti svoju temperaturu - pa čak i na različite načine.

A što se tiče takve agregatne transformacije materije kao što je topljenje, očigledno je da joj nije potrebna nikakva "latentna toplota". Zagrijte uzorak do njegove tačke topljenja - i održavajte je ako je potrebno - i uzorak će se otopiti bez pomoći. Oni koji su gledali filmski ep "Gospodar prstenova" vjerovatno se sjećaju posljednjih sekundi Prstena svemoći. Pao je u ušće "planine koja diše vatru" - i sada leži tamo, leži … zagreva se, zagreva … i, konačno - čop! I umjesto prstena - već se šire kapljice. Ova scena je bila veoma uspešna za filmske stvaraoce. Pun osećaj realnosti!

(Odlomak sa prstenom možete pogledati na linku:

Zlato ima dobru toplotnu provodljivost, a prsten je bio sićušan, pa se odjednom zagrijao u cijelosti. I, odmah u celoj zapremini je zagrejan do tačke topljenja - odmah i otopljen, bez nepotrebnih zahteva za toplotom. Inače, očevici zagrijavanja otpadnog metala, na primjer, aluminija u indukcijskim pećima, svjedoče: on se ne topi postupno, kap po kap - naprotiv, izbočeni fragmenti počinju da plutaju i teku odmah po cijelom svom volumenu. U slučaju leda, odsustvo nepotrebnih toplinskih zahtjeva za topljenje nije očito jednostavno zato što je toplotna provodljivost leda mnogo lošija od one metala. Stoga se led postepeno topi, kap po kap. Ali princip je isti: ono što se zagrije do tačke topljenja - odmah se otopi.

O. Kh. Derevensky

Pročitajte u potpunosti