Soojuse järele jõudmine

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

"Täna õpivad lapsed õigeid ideid soojuse kohta juba seitsmendas klassis."

(Kogumikust "Suurteadlaste naljad")

… Päikesest kõrvetatud Kasahstani stepp. Väikese ekspeditsioonirühma teadlased jälgivad higi pühkides saiagasid. Need teadlased viivad läbi vastutustundlikke teadusuuringuid. Nad tahavad katseliselt kinnitada akadeemik Timirjazevi sõnu: "".

Meie teadlaste metoodika pole kusagil lihtsam. Nad jälgivad, kui palju rohtu loomad oma loomulikus keskkonnas söövad. Selle sööda kalorisisaldus – st. soojushulk, mis selle põletamisel kalorimeetris eraldub, on teadlastele juba teada. Jääb vaid võrrelda saiga toidus sisalduva "potentsiaalse energia" kogust tööga, mida tema lihased elu jooksul toodavad.

Kuid … mida kauem teadlased jälgisid, seda melanhoolsemaks nad muutusid. Näete, need saigad olid kuidagi valed. Nad sõid vähe – nende toiduratsioonis olevate kalorite arv osutus mitu korda väiksemaks lihaste energiatarbimisest. Rasvavarudel polnud sellega mingit pistmist – millised on teie rasvavarud suvel? Kõige solvavam oli see, et saigad lükkasid ümber kõik "teaduslikult põhjendatud normid": nende toidu kalorisisaldusest ei piisanud eluks ja nad nägid üsna rõõmsad välja … Siin on võluv saiga, kes pilgutab teadlastele graatsiliselt silma. tõstab saba ja annab välja veel ühe partii kakat. „Kas sa oled näinud, mida ta teeb? - üks vaatleja ei suutnud vastu panna. - Pilkab meid, mäletsejaline olend! - "Rahunege, kolleeg! - vastas teine. - Vastupidi, ta ütleb meile: me pole katset lõpuni viinud! See … hein käis lehmast läbi - see kuivatatuna põleb ka! Kohalikud kasutavad seda kütusena!" - "Kas sa tahad öelda, kolleeg, et sellel… just sellel… on ka kalorisisaldus?" - "Täpselt! Ja me mõõdame seda!"

Pole varem öeldud kui tehtud. Kalorimeetril ei olnud nalja, kui nad seal kakat põletasid – aga teaduse huvides pidin ma vastu pidama. Teadlastel oli aga veelgi vähem lõbus, kui nad veendusid, et kaka kalorisisaldus on sama, mis algse sööda kalorisisaldus. Selgus, et Timirjazevi "orgaanilises aines sisalduva potentsiaalse energia" tasemel ei kulu loom mitte ainult palju vähem, kui on vaja tema lihaste tööks, vaid ka vabastab nii palju, kui kulub. See tähendab, et lihastel ei jää enam midagi tööle. Meie teadlased teadsid hästi, et sellised uudishimulikud järeldused polnud nende aruannete jaoks. Seetõttu puistasid nad oma juustele tuhka – seda sama põlenud kakat – ja sellega asi lõppes.

Ja siiani on olukord "toidu kalorisisalduse" osas mingi pohmell. Kui te küsite toitumisspetsialistidelt, kui palju kaloreid tuleks päevas toiduga tarbida, et "kahe nädalaga kaalust alla võtta on garanteeritud", selgitavad nad teile kõike üksikasjalikult - pealegi võtavad nad seda odavalt ega pilguta silmagi.. Nende töö on selline … Aga me küsime akadeemikutelt: kust tulevad need kalorid, mida saigad kulutavad kõndimiseks, närimiseks ja saba tõstmiseks? Ja see küsimus akadeemikutele väga ei meeldi. Valusalt on tal nende jaoks ebamugav. Maksimaalne, mida saate nendega saavutada, on apellatsioon tõsiasjale, et elusorganismid on nende sõnul kõige keerulisemad kõrgelt organiseeritud süsteemid ja seetõttu pole neid nende sõnul veel piisavalt uuritud. Nii et teie, onud, kas te elusorganismide uurimise raames räägite emale ülalkirjeldatute sarnaste kalorimeetriliste mõõtmiste tulemuste kohta? Või kardate, et peate punastama, kui lapsed teie üle naeravad? Noh, siin on teile tõestatud rahvapärane vahend: hõõruge peedi koonu - kui punastate, ei jää see nii märgatavaks.

Kuidas akadeemikud sellesse ellu tulid? Olgu, isegi kui elusorganismid on nende jaoks liiga keerulised. Kuid elutus aines, mis allub ainult füüsikalistele ja keemilistele seadustele – kas siis peaksid kalorite küsimused olema täiesti läbipaistvad? Me ei räägi kiirendites ja põrkeseadmetes esinevatest nähtustest. Need on nähtused, mida igaüks saab oma köögis reprodutseerida. Näib, et kolossaalne praktiline kogemus oleks tulnud vormida täiesti selgeteks ideedeks soojuse kohta. Kuid me räägime teile, kuidas see kogemus tegelikult kujunes.

Isegi iidsed filosoofid jagunesid soojuse olemuse küsimuses kahte leeri. Mõned uskusid, et soojus on iseseisev aine; mida rohkem seda kehas on, seda soojem on. Teised uskusid, et soojus on mingi ainele omase omaduse ilming: teatud aine olekus on keha külmem või soojem. Keskajal domineeris nendest mõistetest esimene, mida on lihtne seletada. Aine struktuuri mõisted aatomi- ja molekulaartasandil olid siis täiesti välja kujunemata – ja seetõttu jäi mõistatuseks, milline aine omadus võib soojuse eest vastutada. Valdav enamus filosoofid ei vaevunud selle salapärase omaduse leidmisega vaeva nägema, vaid pidasid karjainstinkti juhtimisel kinni mugavast kontseptsioonist soojusest kui "kütteainest".

Oi, kui visalt nad sellest kinni pidasid – krampidest haaravates lihastes. Saage aru: kütteaine kandub kokkupuutel kuumalt kehalt külmale. Mida rohkem kalorisisaldust kehas, seda kõrgem on kehatemperatuur. Mis on temperatuur? Ja see on vaid kütteaine sisalduse mõõt. Kui kütteaine kandub paremalt vasakule, siis paremal on temperatuur kõrgem. Ja vastupidi. Kui kütteaine ei kandu ei paremale ega vasakule, siis on paremal ja vasakul temperatuurid samad. Olgu mõisted "kütteaine" ja "temperatuur" omavahel seotud loogilise nõiaringiga, aga muidu oli kõik hämmastav. Võis teha isegi praktilisi järeldusi: keha soojendamiseks on vaja sellele lisada kütteainet - võrreldes sellega, mis tal juba on. Ja selliseks lisamiseks on vaja rohkem kuumutatud keha, vastasel juhul ei kandu kalorisisaldust. Sära! Nende ideede põhjal valmisidki töökorras soojusmasinad! Sõnastati isegi kütteaine hävimatuse põhimõte, s.t tegelikult soojuse jäävuse seadus!

Muidugi on tänapäeval lihtne rääkida nende keskaegsete veidruste naiivsusest. Tänapäeval teame, et soojus on üks energia vorme ja energia jäävuse seadus ei kehti ühegi selle vormi puhul. See seadus kehtib energia kui terviku puhul – võttes arvesse asjaolu, et ühed energiavormid võivad muutuda teisteks. Kuid sel ajastul, mil kütteainet peeti universumi lahutamatuks osaks, tekitas selle hävimatuse printsiip universaalse ulatuse väidete tõttu filosoofides aukartust. Selle põhimõtte eksperimentaalseks kinnitamiseks – tõsi, mitte universaalsel, vaid kohalikul skaalal – leiutati ja võeti kasutusele need topeltpõhjaga karbid, mida nimetatakse kalorimeetriteks.

See on hämmastav: teaduse ja tehnika arengu käigus mindi mehaanilistelt stopperitelt esmalt üle kvarts- ja seejärel aatomkelladele, maamõõtmislintidelt lülitusid laserkaugusmõõturitele ja seejärel GPS-vastuvõtjatele - ja ainult kalorimeetrid pöördusid. otsese määramise soojusmõjude osas absoluutselt asendamatuks. Seni teenivad kalorimeetrid oma kasutajaid ustavalt: kasutajad usuvad neisse ja arvavad, et nende abiga teavad nad tõde. Ja keskajal palvetati nende eest, kaitsti neid kurja silma eest ja fumigeeriti isegi viirukiga - mis aga ei aidanud palju. Vaata siit: uuritav protsess kulges soojust juhtivate seintega klaasis, mis oli suure puhverainega täidetud klaasi sees. Kui uuritava protsessi käigus eraldus või neeldus kütteaine, siis puhveraine temperatuur vastavalt tõusis või langes. Mõõdetud väärtuseks oli mõlemal juhul puhveraine temperatuuride erinevus enne ja pärast uuritavat protsessi – see erinevus määrati termomeetri abil. Voila! Tõsi, kerge raskus avastati kiiresti. Mõõtmisi korrati sama katseprotsessiga, kuid erinevate puhverainetega. Ja selgus, et sama kaaluga erinevad puhverained, omandades sama koguse kütteainet, kuumenevad erineva kraadi võrra. Ilma kaks korda mõtlemata tutvustasid soojusvaldkonna meistrid teadusesse veel ühte ainete omadust - soojusmahtuvust. See on üsna lihtne: soojusmahtuvus on suurem sellel ainel, mis sisaldab rohkem kütteainet, et kuumeneda sama kraadi võrra, kui kõik muud asjad on võrdsed. Oota oota! Seejärel on kalorimeetrilisel meetodil soojusefekti määramiseks vaja eelnevalt teada puhveraine soojusmahtuvust! Kuidas sa tead? Soojameistrid andsid pingutamata vastuse ka sellele küsimusele. Nad mõistsid kiiresti, et nende kastid on kaheotstarbelised seadmed, mis sobivad mitte ainult soojusefektide, vaid ka soojusvõimsuste mõõtmiseks. Lõppude lõpuks, kui mõõta puhveraine temperatuuride erinevust ja teada, kui palju soojust tekitav aine see neelab, siis on soovitud soojusmahtuvus teie hõbekandikul! Ja nii juhtuski: soojusefekte mõõdeti soojusvõimsuste teadmiste põhjal ja soojusvõimsusi tuvastati soojusmõjude mõõtmise põhjal. Ja kui keegi mitte pahatahtlikkusest, vaid puhtalt uudishimust küsiks: "Mida sa enne mõõtsid - soojust või soojusmahtuvust?" - siis vastati talle selles vaimus: "Kuule, tark mees, mis tuli enne - kana või muna?" - ja tark sai aru, et rumalaid küsimusi küsida ei tohi.

Ühesõnaga: kui rumalaid küsimusi ei küsi, siis kalorimeetrilisel meetodil oli kõik hästi, kui üks nüanss välja arvata. See meetod põhines algusest peale põhipostulaadil, et kütteaine on võimeline voolama ainult rohkem kuumenenud kehadest vähem kuumutatud kehadesse. Siis polnud keegi mõelnud lihtsale asjale: kui see võtmepostulaat on õige, siis aja jooksul kõikide kehade temperatuurid ühtlustuvad – ja nagu öeldakse, aamen. Kui aga keegi oleks sellele mõelnud, oleks ta talle põhjendatult vastu vaielnud, et Jumala plaan ei saa sisaldada sellist rumalust – ja selle peale oleks kõik maha rahunenud.

Ühesõnaga kütteaine mõiste teaduses on mõnusalt üles soojendatud. Seetõttu meie Lomonossov oma maalähedase lihtsusega sellesse idülli ei sobinud. Ta ei pidanud ju teatud mõistetest kinni, ta uuris neid – ja pakkus vastutasuks adekvaatsemaid. Lomonossov sõnastas teoses "Mõtisklused sooja ja külma põhjuse üle" (1744) selgelt kuumuse põhjuse - mis on kehaosakeste "". Muide, ta tegi kohe fenomenaalse järelduse: "". Tänapäeval kasutatakse kõrgemalt teaduslikku terminit - "absoluutne nulltemperatuur", kuid Lomonossovi nime ei mainita. Lõppude lõpuks oli tal ettenägematust kütteaine mõistet hävitada! Niisiis, ta kirjutas, et filosoofid ei näidanud - "". "" Kui filosoofid oleksid siis kasutanud kvantmehaanika meetodeid, oleksid nad välja mõelnud mingisuguse "soojusfunktsiooni vähendamise". Ehkki kogu "keskaegse obskurantismi" puhul peeti nii ausalt öeldes idiootseks olemist sündsusetuks – see sai tavaliseks alles kahekümnendal sajandil. Oodata oli veel kaua … Ja Lomonossov lahendas järgmise pettekujutelma - "kütteaine" kaalu kohta. "". Paraku on tuntud Robert Boyle midagi valesti teinud: metalli röstimisel tekib sellele katlakivi ning proovi kaal suureneb – aga oksüdatiivse reaktsiooni tulemusena lisanduva aine tõttu. "", Enamgi veel, "". Kuid Lomonosov kontrollis ka "".

Võrreldes nende laastavate argumentidega, oli kogu kütteaine õpetus lapsik loba – isegi keemialaborite praktikandid said sellest aru. Kuid akadeemilised magistrid ei tunnistanud Lomonossovi õigust – nad pidasid targalt surmavaiksuse. "Juhul pole meil midagi vaielda," arvasid nad. "Aga ei saa olla, et me kõik oleme lollid ja tema üksi on geenius." Pealegi tuli see mõte kinnisideeks kõikidele akadeemikutele. Kuigi akadeemikud ei jõudnud kokkuleppele, avaldus see väliselt sajadollarilise maailma vandenõuna. Ja nad kõik olid kõige ausamad ja õilsamad inimesed. Mis puudutab valikut - üksteist on ausam ja üllam. Aus sõitis ausa peale ja üllas sõitis.

Võtame Euleri, keda peeti Lomonossovi sõbraks. Kui Pariisi Teaduste Akadeemia kuulutas välja parima soojuse olemust käsitleva töö konkursi, võitis see konkursi ja pälvis Euleri auhinna, kes kirjutas esitletavas töös: "" (1752). Kuid see Euleri juhtum oli erand. Ülejäänud "ausad ja õilsad" vaikisid ja ootasid kannatlikult Lomonossovi surma (1765). Ja alles pärast seda, oodanud veel seitse aastat, et olla truud, hakkasid nad uuesti küttekeha kallale. Näete, oli võimatu tunnistada, et Lomonosovil oli õigus. Kui ta oleks nüüd teinud mingi pisiasja – paljastanud näiteks sellesama Boyle’i meelepetted ja kõik –, siis oleks Lomonossovi seadus praegu õpikutes, nagu ka Boyle’i-Mariotte’i seadus. Ja Lomonossov sattus ja kühveldas kogu tolleaegse teaduse. Nõus, ärge kirjutage õpikutesse "Lomonossovi esimene seadus", "Lomonossovi teine seadus" jne. - kui skoor läheb mitmekümneni! Õpilased lähevad segadusse! Seetõttu läksid pauguga mööda värsked eksperimentaalsed faktid, mida sai tõlgendada kütteaine vaimus.

Ja seal on mõned faktid. Loodusteadlastel oli tol ajal mood: segada selline ja selline kogus külma vett sellise ja sellise koguse kuuma veega – ja määrata saadud segu temperatuur. Kogemus kinnitas Richmani valemit: temperatuuri väärtus oli kaalutud keskmine – konkreetsel juhul, kui külma ja kuuma vett oli võrdselt, oli see aritmeetiline keskmine. Ja nii: keemik Black ja seejärel ka keemik Wilke hakkasid kontrollima Richmanni valemit kuuma vee segamise korral mitte külma veega, vaid jääga – otsustades, et sulamistemperatuuril "see jää, see vesi". on üks jama". Tulemus tuli välja – täna võib kindlalt väita – täiesti meeletu. Lõplik veetemperatuur esialgse võrdse jääkaalu korral on 0^OC ja vesi temperatuuril 70^OC osutus aritmeetilisest keskmisest kaugel - see osutus võrdseks 0-ga^OS. Hämmastav? Ja siis! Meeled olid nii tumedad, et andsid end entusiastlikult alla "jää sulamise latentse kuumuse" kontseptsioonile. Selle kontseptsiooni kohaselt ei piisa jää sulatamiseks selle kuumutamisest sulamistemperatuurini, mis nõuab teatud koguse kütteaine edastamist sellele vastavalt selle soojusmahtuvusele - see on ka vaja täiendava tohutu hulga kalorisisaldusega ainet jäässe ajada, mis läheb sulamisele. Tõsi, sulamise ajal jää temperatuur ei muutu ja termomeetrid sellele lisakütteainele ei reageeri – seepärast nimetatakse sulamissoojust "latentseks". Kõik on läbi mõeldud! Ja mis kõige tähtsam, kogemus kinnitab: kus nad ütlevad, et vee soojusvarustus läheb 70-ni^OC, kui mitte jää sulamine ?! Nii leidsime selle varjatud sulamissoojuse arvväärtuse. Akadeemikud nutsid rõõmust – sulgedes silmad selle ees, et Blacki ja Wilke’i loogika toimib vältimatu esialgse eelduse alusel: looduses säilib soojuse hulk. Selle petliku oletusega kinnitasid Blacki ja Wilke'i tulemused kalorisisaldusega aine olemasolu. Kõik algas otsast peale. Lomonossovi pingutused polnud aga asjatud: praegusele kütteainele omistati selline spetsiifiline omadus nagu kaalu puudumine – muidu osutus see tegelikult naljakaks. Ja nad lasid kaloririkka aine asemel välja kaalutu kalorsusega vedeliku, millele nad valisid sobiva nimetuse: kaloriline. Ja need muutusid aina ilusamaks kui varem.

Miks me sellest nii üksikasjalikult räägime? Sest kasulik on teada, kuidas see mäng agregaatide teisenduste varjatud kuumustest füüsikas tekkis – mida peetakse siiani teaduslikuks tõeks. Peame ütlema paar sõna selle "tõe" "teadusliku olemuse" kohta.

Kujutage ette: kalorimeetri sisemine klaas sisaldab vett ja jääd – termilises tasakaalus omavahel ja puhverainega. Tühine temperatuuri tõus, kuni nn. likviduspunktid - ning jää ja vee faasitasakaalu rikutakse: jää hakkab sulama. Kust tuleb selle sulamise soojus? Puhverainest või millest? Kuid siis selle temperatuur langeb ja soojuse vool "sulatamiseks" peatub. Tegelikult kogu jää sulab ja temperatuur jääb likviidsuse punkti. Skandaal!

Võib-olla peavad tänapäeva akadeemikud seda tulemust mingiks tüütuks erandiks, kuna muudel juhtudel saavad otsad nende sõnul suurepäraselt kokku - näiteks tau-Ceti tähe termilise tasakaalu arvutamisel. Ei, kallid, te ei saa siin "erandiga" maha. Teie arvates peaks avaveekogudes jää tekkega kaasnema ka termiline efekt - alles nüüd peaks eralduma samasugune "sulamissoojus". Teie, mu kallid, võtsite vaevaks välja mõelda – milliste tulemusteni see peaks viima? Jää kasvab altpoolt ja jää soojusjuhtivus on kaks suurusjärku halvem kui vee oma. Seetõttu tuleks praktiliselt kogu "sulamissoojus" jää alla vette lasta. Kui asendada võrdlusväärtused vaadeldava juhtumi puhul kõige lihtsama soojusbilansi võrrandiga, siis selgub, et 1 mm jääkihi moodustumine põhjustaks külgneva 1 mm veekihi kuumenemise 70 kraadi võrra (ja 0,5 mm veekiht - koguni 140 kraadi, aga juba 100 juures^OSee hakkaks keema). Kuidas teile see tulemus meeldib, kallid? Võib-olla ütlete, et me pole ilmaasjata arvestanud vee termilise segamisega? Tõepoolest, vahemikus 0^O kuni 4^OC, soojem vesi vajub ja külmem vesi tõuseb. Milline! Kuid isegi sellise segamise tingimustes, kui veepinnal oleks soojusallikas, oleks ülalolev vesi soojem kui all. Tegelikult on tüüpiline arktiline temperatuuriprofiil jää all olevas vees järgmine: jääga kokkupuutel vee temperatuur on külmumispunkti lähedal ja sügavuse kasvades (teatud kihi piires) temperatuur tõuseb. See on ilmne tõend: jääst, isegi kasvavast jääst, ei voola vette soojust. Okeanoloogid mõistsid seda juba ammu, nii et nad leiutasid sellise lolli: "". Mida see soojus edasi teeb, mis on regionaalses mastaabis arvutatud triljonites kilokalorites – okeanoloogid enam ei hooli; las atmosfääriinsenerid tegelevad selle soojusega edasi. Võiks arvata, et okeanoloogid ei tea, et jää soojusjuhtivus on kaks suurusjärku halvem kui vee oma. Kuhu, imestatakse, ikka ja jälle Arktika ekspeditsioonid suunduvad ja mida teevad seal hüdroloogid koos meteoroloogidega - kas nad lõikavad jääskulptuure välja või mis?

Ja pole vaja Arktikasse trügida, veendumaks, et vee külmumisel soojust ei eraldu. Teles näitas MythBusters väga reprodutseeritavat kogemust. Külmkapist võetakse korralikult pudel ülejahutatud vedelat õlut. Torkad selle pudeli üle – ja selles olev õlu külmub mõne sekundiga jäähelvesteks. Ja pudel jääb külmaks… Sellel kogemusel on tohutu populariseeriv jõud. Märksõnad: “soe, külm, pudel, õlu” – kõik on väga arusaadav. Isegi tänapäeva akadeemikutele.

Kujutage ette, kui raske neil akadeemikutel on: kuna "latentset sulamissoojust" pole, ei pea te mitte ainult seitsmenda klassi jaoks füüsikat ümber kirjutama, vaid ka vabandusi otsima – kuidas mõned keskaegsed keemikud Black ja Wilke on neid ära petnud. Ja kuidas saab end õigustada, kui akadeemikud ikka veel ei mõista selle triki saladust? Olgu, näitame teile. Saladus on selles, et jää on 0^O, pärast kuuma veega segamist ei tõsta selle temperatuuri: see sulab konstantsel temperatuuril. Ja kuni täieliku sulamiseni on see jahutusallikas: sellega kokkupuutes olev vesi, mis oli alguses kuum, muutub soojaks, seejärel jahtub, seejärel jääks … jää võrdse algkaaluga temperatuuril 0^OC ja vesi temperatuuril 70^OС, kogu saadud vesi on 0^OC. Juhtum, nagu näete, on lihtne. Aga ei, nad nõuavad meilt selgitust – aga kust, nad ütlevad, tuli see kuumus, mis soojal veel oli? Sõbrad, see küsimus oleks asjakohane, kui soojuse jäävuse seadus looduses toimiks. Kuid soojusenergiat ei säästa: see muundatakse vabalt muudeks energialiikideks. Allpool illustreerime, et suletud süsteem on üsna võimeline oma temperatuuri muutma - ja isegi erineval viisil.

Ja mis puutub aine sellisesse agregeeritud muundumisse nagu sulamine, siis on ilmne, et see ei vaja mingit "latentset soojust". Kuumutage proov sulamistemperatuurini – ja vajadusel hoidke seda – ning proov sulab ilma abita. Need, kes vaatasid filmieepost "Sõrmuste isand", mäletavad ilmselt Kõikvõimsuse sõrmuse viimaseid sekundeid. See kukkus "tuld hingava mäe" suhu - ja nüüd ta seal lamab, lamab … kuumeneb, kuumeneb … ja lõpuks - chomp! Ja rõnga asemel - juba levivad tilgad. See stseen oli filmitegijate jaoks väga edukas. Täielik reaalsustaju!

(Sõrmusega katkendit saab vaadata lingilt:

Kullal on hea soojusjuhtivus ja sõrmus oli pisike, nii et see soojenes korraga tervenisti. Ja kohe kogu mahus kuumutati see sulamistemperatuurini - kohe ja sulas, ilma tarbetute soojusvajadusteta. Muide, vanametalli, näiteks alumiiniumi, kuumutamise pealtnägijad induktsioonahjudes tunnistavad: see ei sula järk-järgult, tilkhaaval - vastupidi, väljaulatuvad killud hakkavad hõljuma ja voolama kohe kogu mahu ulatuses. Jää puhul ei ole sulamisel tarbetu soojusvajaduse puudumine ilmne lihtsalt seetõttu, et jää soojusjuhtivus on palju halvem kui metallidel. Seetõttu sulab jää järk-järgult, tilkhaaval. Kuid põhimõte on sama: mis kuumutatakse sulamistemperatuurini - siis kohe sulatatakse.

O. Kh. Derevensky

Lugege täielikult