Hvatanje topline

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

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

(Iz zbirke "Vicevi velikih znanstvenika")

… Kazahstanska stepa spržena Suncem. Znanstvenici iz male grupe ekspedicija, brišući znoj, promatraju saige. Ovi znanstvenici provode odgovorna znanstvena istraživanja. Žele eksperimentalno potvrditi riječi akademika Timiryazeva: "".

Metodologija naših znanstvenika nigdje nije jednostavnija. Prate koliko trave životinje pojedu u svom prirodnom okruženju. Sadržaj kalorija u ovoj hrani - t.j. znanstvenicima je već poznata količina topline koja se oslobađa kada se sagorijeva u kalorimetru. Ostaje samo usporediti količinu ove "potencijalne energije" sadržane u hrani saige s radom koji njezini mišići proizvode tijekom života.

Ali… što su znanstvenici dulje promatrali, postajali su melankoličniji. 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 zalihe masti ljeti? Najuvredljivije je bilo to što su saige poništile sve "znanstveno utemeljene norme": kalorijski sadržaj njihove hrane očito nije bio dovoljan za život, a izgledale su prilično veselo … Evo šarmantne saige, koja graciozno namiguje znanstvenicima podižući rep i ispuštajući još jednu hrpu kakice. “Jeste li vidjeli što radi? - nije mogao odoljeti jedan promatrač. - Ruga nam se, stvorenje preživače! - “Smiri se, kolega! - odgovorio je drugi. - Dapače, ona nam kaže: eksperiment nismo doveli do kraja! Ovo … sijeno je prošlo kroz kravu - ono, osušeno, također gori! Mještani ga koriste kao gorivo!" - "Hoćeš li reći, kolega, da i ovaj … ovaj vrlo … ima kalorijski sadržaj?" – „Točno! I mi ćemo to izmjeriti!"

Tek što je rečeno nego učinjeno. Kalorimetar se nije zabavljao kad su u njemu spalili kakicu - ali zbog znanosti sam morao izdržati. Međutim, istraživači su se još manje zabavili kada su se uvjerili da je kalorijski sadržaj izmeta isti kao i sadržaj kalorija u izvornoj hrani. Pokazalo se da na razini Timiryazevljeve "potencijalne energije sadržane u organskoj tvari" životinja ne samo da troši puno manje nego što je potrebno za rad njezinih mišića, nego i oslobađa onoliko koliko potroši. Odnosno, ne preostaje apsolutno ništa da mišići rade. Naši su znanstvenici bili itekako svjesni da takvi čudni zaključci nisu za njihova izvješća. Stoga su kosu posipali pepelom – te iste spaljene kakice – i tu je bio kraj.

I do sada je situacija s "kalorijskim sadržajem hrane" neka vrsta mamurluka. Ako pitate nutricioniste koliko kalorija dnevno treba unositi s hranom kako biste "zajamčeno smršavili za dva tjedna", oni će vam sve detaljno objasniti - štoviše, uzeti 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 neugodno za njih. Maksimum koji možete postići od njih je pozivanje na činjenicu da su živi organizmi, kažu, najsloženiji visokoorganizirani sustavi, pa stoga, kažu, još nisu dovoljno proučeni. Dakle, vi, stričevi, u okviru proučavanja živih organizama, šutite o rezultatima kalorimetrijskih mjerenja poput onih gore opisanih? Ili se bojite da ćete morati pocrvenjeti kad vam se djeca smiju? Eto, evo vam provjerenog narodnog lijeka: protrljajte njušku od cikle – ako pocrvenite, neće se toliko primijetiti.

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 fizikalnih i kemijskih zakona - je li onda pitanja s kalorijama trebala biti potpuno transparentna? Ne govorimo o fenomenima koji se nalaze u akceleratorima i sudaračima. To su fenomeni koje svatko 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 neovisna tvar; što ga je više u tijelu, to je toplije. Drugi su vjerovali da je toplina manifestacija nekog svojstva svojstvenog materiji: u danom stanju tvari tijelo je hladnije ili toplije. U srednjem vijeku dominirao je prvi od ovih pojmova, što je lako objasniti. Koncepti strukture tvari na atomskoj i molekularnoj razini tada su bili potpuno nerazvijeni - i stoga je bila misterija to svojstvo materije koje bi moglo biti odgovorno za toplinu. Filozofi, u velikoj većini, nisu se trudili pronaći ovo tajanstveno svojstvo - već su se, vođeni instinktom stada, pridržavali prikladnog koncepta topline kao "kalorične materije".

Oh, kako su se žilavo pridržavali toga - do grčeva u mišićima hvatanja. Shvatite: ogrjevna tvar se, takoreći, prenosi s vrućih na hladna tijela kada dođu u dodir. Što je više kalorijske tvari u tijelu, to je viša tjelesna temperatura. Što je temperatura? A ovo je samo mjera za sadržaj kalorijske tvari. Ako se ogrjevna tvar prenosi s desna na lijevo, tada je temperatura viša s desne strane. I obrnuto. Ako se ogrjevna tvar ne prenosi ni desno ni lijevo, tada su temperature s desne i lijeve strane iste. Neka se ispostavi da su pojmovi "kalorične tvari" i "temperature" povezani logičkim začaranim krugom, ali inače je sve bilo nevjerojatno. Čak je bilo moguće izvući praktične zaključke: da bi se tijelo zagrijalo, potrebno mu je dodati kalorijsku tvar - u usporedbi s onim što već ima. A za takav dodatak potrebno je zagrijanije tijelo, inače se kalorijska tvar neće prenijeti. Sjaj! Na temelju tih ideja napravljeni su radni toplinski motori! Čak je formuliran princip neuništivosti ogrjevne tvari, tj. zapravo zakon održanja topline!

Naravno, danas nam je lako govoriti o naivnosti tih srednjovjekovnih hira. Danas znamo da je toplina jedan od oblika energije, a zakon održanja energije ne vrijedi ni za jedan njezin oblik. Ovaj zakon djeluje za energiju u cjelini – uzimajući u obzir činjenicu da se neki oblici energije mogu pretvoriti u druge. Ali u ono doba kada se kalorična tvar smatrala sastavnim dijelom Svemira, načelo njezine neuništivosti, zbog zahtjeva za univerzalnim opsegom, dovelo je filozofe do strahopoštovanja. Za eksperimentalnu potvrdu ovog principa – istina, ne na univerzalnoj, nego na lokalnoj razini – izumljene su i stavljene u uporabu ove kutije s dvostrukim dnom, koje se nazivaju kalorimetri.

Nevjerojatno je: u tijeku znanstvenog i tehnološkog napretka, s mehaničkih štoperica, prvo su prešli na kvarc, a potom na atomske satove, sa zemljomjernih vrpci prešli su na laserske daljinomjere, a potom na GPS prijemnike - a okrenuli su se samo kalorimetri biti apsolutno nezamjenjiv u pitanju izravnog određivanja toplinskih učinaka. 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 odvijao se u staklu sa stijenkama koje provode toplinu, koja se nalazila unutar velike čaše ispunjene puferskom tvari. Ako se tijekom proučavanog procesa ogrjevna tvar 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 je razlika određena termometrom. Voila! Istina, brzo je otkrivena mala poteškoća. Mjerenja su ponovljena istim postupkom ispitivanja, ali s različitim puferskim tvarima. I pokazalo se da se iste težine različitih puferskih tvari, stječući istu količinu ogrjevne tvari, zagrijavaju za različite količine stupnjeva. Ne razmišljajući dvaput, majstori toplinskih poslova uveli su u znanost još jednu karakteristiku tvari - toplinski kapacitet. To je sasvim jednostavno: toplinski kapacitet je veći za tvar koja sadrži više ogrjevne tvari da bi se zagrijala za isti broj stupnjeva, pod uvjetom da su sve ostale jednake. Čekaj čekaj! Zatim, za određivanje toplinskog učinka 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 prikladni za mjerenje ne samo toplinskih učinaka, već i toplinskih kapaciteta. Uostalom, ako izmjerite temperaturnu razliku puferske tvari i znate količinu tvari koja stvara toplinu koju apsorbira, tada je željeni toplinski kapacitet na vašem srebrnom pladnju! Tako se i dogodilo: toplinski učinci mjereni su na temelju poznavanja toplinskih kapaciteta, a toplinski kapaciteti prepoznavani su na temelju mjerenja toplinskih učinaka. A kad bi netko, ne iz zlobe, nego čisto iz radoznalosti, upitao: "Što ste prvo izmjerili - toplinu ili toplinski kapacitet?" - onda mu je u ovom duhu odgovoreno: "Slušaj, pametnjakoviću, što je prvo bilo - kokoš ili jaje?" - i mudrac je shvatio da ne smije 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 se metoda temeljila na ključnom postulatu da je kalorična tvar sposobna teći samo iz više zagrijanih tijela u manje zagrijana. Tada nitko nije pomislio na jednostavnu stvar: ako je ovaj ključni postulat točan, s vremenom će se temperature svih tijela izjednačiti - i, kako kažu, amen. Međutim, da se itko toga dosjetio, razumno bi mu prigovorili da Božji plan ne može sadržavati takvu glupost - i na tome bi se svi smirili.

Jednom riječju, koncept kalorijske tvari u znanosti je ugodno zagrijan. Stoga se naš Lomonosov svojom rustikalnom jednostavnošću nije uklapao u ovu idilu. Uostalom, nije se držao određenih pojmova, on ih je istraživao – a zauzvrat nudio adekvatnije. U "Razmišljanjima o uzroku topline i hladnoće" (1744.) Lomonosov je jasno formulirao uzrok topline - a to je "" čestica tijela. Usput, odmah je donio fenomenalan zaključak: "". Danas se koristi visokoznanstveni izraz - "temperatura apsolutne nule", ali se ime Lomonosova ne spominje. Uostalom, imao je nerazboritost uništiti pojam kaloričnosti! 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 "srednjovjekovni mračnjaštvo", smatralo nepristojnim da je tako iskreno idiotski - postalo je uobičajeno tek u dvadesetom stoljeću. Još se dugo čekalo… I Lomonosov je razriješio sljedeću zabludu - o težini "kalorične tvari". "". Jao, poznati Robert Boyle nešto je pogriješio: kada se metal prži, na njemu se stvara kamenac, a težina uzorka se povećava – ali zbog tvari dodane kao rezultat oksidativne reakcije. "", Štoviše, "". Ali Lomonosov je također kontrolirao "".

U usporedbi s tim razornim argumentima, cijela doktrina kalorične materije bila je djetinjasto brbljanje - čak su i šegrti u kemijskim laboratorijima to razumjeli. Ali akademski majstori nisu prepoznali Lomonosovu u pravu - mudro su smrtno šutjeli. "O ovom slučaju nemamo se što raspravljati", zaključili su. "Ali ne može biti da smo svi mi budale, a samo on je genije." Štoviše, ova misao je opsesivno došla do svih akademskih čelnika. Iako se akademici nisu dogovorili, izvana se to očitovalo kao svjetska zavjera od sto dolara. A svi su bili najpošteniji i najplemenitiji ljudi. Što se tiče selekcije - jedni drugima su pošteniji i plemenitiji. Pošten je vozio na poštenog i vozio plemenitog.

Uzmimo Eulera, koji se smatrao Lomonosovljevim prijateljem. Kad je Pariška akademija znanosti raspisala natječaj za najbolji rad o prirodi topline, pobijedila je na natječaju i dobila Eulerovu nagradu, koji je u predstavljenom djelu napisao: "" (1752). Ali ovaj Eulerov slučaj bio je iznimka. Ostali "pošteni i plemeniti" šutjeli su i strpljivo čekali smrt Lomonosova (1765.). I tek nakon toga, nakon što su čekali još sedam godina da budu vjerni, ponovno su krenuli u žurku oko kaloričnosti. Vidite, bilo je nemoguće priznati da je Lomonosov bio u pravu. E sad, da je napravio kakvu sitnicu – na primjer, razotkrio zablude istog tog Boylea, i to je to – onda bi Lomonosovov zakon sada bio u udžbenicima, kao što je i Boyle-Mariotteov zakon. A Lomonosov se zanio i lopatom bacio svu tadašnju znanost. Slažete se, nemojte pisati u udžbenicima "prvi zakon Lomonosova", "drugi zakon Lomonosova" itd. - kada rezultat ide na više desetki! Učenici će se zbuniti! Zato su svježe eksperimentalne činjenice, koje bi se mogle protumačiti u duhu kaloričnosti, prošle s treskom.

I postoje neke činjenice. U ono vrijeme prirodoslovci su imali modu: pomiješati tu i takvu količinu hladne vode s takvom i takvom količinom tople vode - i odrediti dobivenu temperaturu smjese. Iskustvo je potvrdilo Richmanovu formulu: vrijednost temperature bila je ponderirani prosjek - u konkretnom slučaju, s jednakim količinama hladne i tople vode, to je bio aritmetički prosjek. I tako: kemičar Black, a potom i kemičar Wilke, počeli su provjeravati Richmannovu formulu za slučaj miješanja tople vode ne s hladnom vodom, već s ledom - odlučivši da je, na točki 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 početnih jednakih težina leda na 0^OC i vode na 70^OPokazalo 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 taljenja leda". Prema ovom konceptu, da bi se led otopio, nije ga dovoljno zagrijati na temperaturu topljenja, što će zahtijevati da mu se prenese određena količina kalorične tvari, u skladu s njegovim toplinskim kapacitetom - također će biti potrebno za izbacivanje dodatne ogromne količine kalorične tvari u led, koja će ići na samo topljenje. Istina, tijekom topljenja se temperatura leda ne mijenja, a termometri ne reagiraju na ovu dodatnu ogrjevnu tvar - zato se toplina taljenja naziva "latentna". Sve je smišljeno! I, što je najvažnije, iskustvo potvrđuje: gdje, kažu, dovod topline vode ide na 70^OC, ako ne otapanje leda ?! Ovako smo pronašli brojčanu vrijednost njegove latentne topline fuzije. Akademici su plakali od radosti - zatvarajući oči pred činjenicom da logika Blacka i Wilkea funkcionira pod nužnom preliminarnom pretpostavkom: količina topline u prirodi je očuvana. S ovom zabludnom pretpostavkom, Black i Wilkeovi rezultati doista su potvrdili prisutnost kalorične tvari. Sve je počelo ispočetka. Međutim, Lomonosovljevi napori nisu bili uzaludni: sadašnjoj kalorijskoj tvari pripisivano je takvo specifično svojstvo kao što je odsutnost težine - inače je, zapravo, ispalo smiješno. I pustili su, umjesto ogrjevne tvari, kaloričnu tekućinu bez težine, za koju su odabrali prikladan naziv: kalorična. I postajale su sve ljepše nego prije.

Zašto o tome pričamo 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. Morat ćemo reći nekoliko riječi o “znanstvenosti” ove “istine”.

Zamislite: unutarnje staklo kalorimetra sadrži vodu i led – u toplinskoj ravnoteži jedan s drugim i s puferskom tvari. Zanemarljiv porast temperature, sve do tzv. točke likvidusa – i narušit će se fazna ravnoteža između leda i vode: led će se početi topiti. Odakle će doći toplina za ovo taljenje? Od puferske tvari, ili što? Ali tada će njegova temperatura pasti, a protok topline "za taljenje" će prestati. Zapravo, sav će se led otopiti, a temperatura će ostati na točki likvidusa. Skandal!

Možda današnji akademici ovaj rezultat smatraju nekom vrstom dosadne iznimke, budući da se u drugim slučajevima, kažu, savršeno spajaju - na primjer, kada se izračuna toplinska ravnoteža zvijezde tau-Ceti. Ne, dragi moji, ovdje se nećete izvući s "iznimkom". Po vašem mišljenju, stvaranje leda u otvorenim vodenim tijelima također bi trebalo biti popraćeno toplinskim učinkom - tek sada bi se trebala osloboditi ista "toplina fuzije". Vi ste se, dragi moji, potrudili dokučiti – do kakvih rezultata bi to trebalo dovesti? Led raste odozdo, a toplinska vodljivost leda je dva reda veličine lošija od vode. Stoga bi se praktički sva "toplina fuzije" trebala ispustiti u vodu ispod leda. Zamijenimo li referentne vrijednosti u najjednostavniju jednadžbu toplinske ravnoteže za slučaj koji se razmatra, ispada da bi formiranje sloja leda od 1 mm uzrokovalo zagrijavanje susjednog sloja vode od 1 mm za 70 stupnjeva (i Sloj vode od 0,5 mm - čak 140 stupnjeva; međutim, već na 100^OPočelo bi kuhati). Kako vam se sviđa ovaj rezultat, dragi moji? Možda ćete reći da nismo uzalud vodili računa o toplinskom miješanju vode? Doista, u rasponu od 0^O do 4^OC, toplija voda tone, a hladnija se diže. Koji! Ali, čak i u uvjetima takvog miješanja, da je na površini vode postojao izvor topline, voda iznad bi bila toplija nego ispod. Zapravo, tipični arktički temperaturni profil u vodi ispod leda je sljedeći: voda u dodiru s ledom ima temperaturu blizu točke smrzavanja, a kako se dubina povećava (unutar određenog sloja), temperatura raste. To je očit dokaz: nema toka topline u vodu iz leda, čak ni iz rastućeg leda. Oceanolozi su to davno shvatili, pa su izmislili takvu budalu: "". Što dalje čini ta toplina, koja se računa, na regionalnoj razini, u trilijunima kilokalorija - oceanologe više nije briga; neka se atmosferski inženjeri dalje bave ovom toplinom. Moglo bi se pomisliti da oceanolozi ne znaju da je toplinska vodljivost leda dva reda veličine lošija od one vode. Kamo, pita se, uvijek iznova kreću arktičke ekspedicije i što tamo hidrolozi rade zajedno s meteorolozima - režu li ledene skulpture, ili što?

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

Zamislite koliko je ovim akademicima teško: budući da ne postoji "latentna toplina fuzije", ne samo da ćete morati prepisivati fiziku za sedmi razred, već ćete se i opravdavati - kako su ih prevarili neki srednjovjekovni kemičari Black i Wilke. I kako se opravdati ako akademici još uvijek ne razumiju tajnu tog trika? U redu, da ti pokažemo. Tajna je da je led na 0^O, nakon miješanja s vrućom vodom, ne podiže temperaturu: topi se na konstantnoj temperaturi. I dok se potpuno ne otopi, izvor je hlađenja: voda u dodiru s njom, koja je isprva bila vruća, postaje topla, zatim hladna, pa led … s 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, traže od nas objašnjenje – ali otkud, kažu, toplina koju je imala topla voda? Prijatelji, ovo bi pitanje bilo relevantno kada bi zakon održanja topline funkcionirao u prirodi. Ali toplinska energija se ne čuva: ona se slobodno pretvara u druge oblike energije. U nastavku ćemo ilustrirati da je zatvoreni sustav prilično sposoban mijenjati svoju temperaturu - pa čak i na različite načine.

A što se tiče takve agregatne transformacije materije kao što je taljenje, očito je da joj nije potrebna nikakva "latentna toplina". Zagrijte uzorak do njegove točke taljenja - i održavajte je ako je potrebno - i uzorak će se otopiti bez pomoći. Oni koji su gledali filmski ep “Gospodar prstenova” vjerojatno se sjećaju posljednjih sekundi Prstena svemoći. Pao je u ušće "gore koja diše vatru" - i sad leži tamo, leži … grije se, grije … i, konačno - čomp! I umjesto prstena - već se šire kapljice. Ova je scena bila vrlo uspješna za filmaše. Pun osjećaj stvarnosti!

(Ulomak s prstenom možete pogledati na poveznici:

Zlato ima dobru toplinsku vodljivost, a prsten je bio sićušan, pa se odjednom zagrijao u cijelosti. I, odmah u cijelom volumenu zagrijana je do točke taljenja - odmah i otopljena, bez nepotrebnih zahtjeva za toplinom. Usput, očevici zagrijavanja otpadnog metala, na primjer, aluminija u indukcijskim pećima, svjedoče: on se ne topi postupno, kap po kap - naprotiv, izbočeni fragmenti počinju plutati i teći odmah cijelim svojim volumenom. U slučaju leda, nepostojanje nepotrebnih toplinskih zahtjeva za taljenje nije očito jednostavno zato što je toplinska vodljivost leda mnogo lošija od one metala. Stoga se led postupno topi, kap po kap. Ali princip je isti: ono što se zagrije do tališta - odmah se otopi.

O. Kh. Derevensky

Pročitajte u potpunosti