Kom ikapp med värmen

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

"Idag lär sig barn de rätta idéerna om värme redan i sjuan."

(Från samlingen "Jokes of Great Scientists")

… Den kazakiska stäppen bränd av solen. Forskare från en liten expeditionsgrupp, som torkar svett, observerar saigorna. Dessa forskare bedriver ansvarsfull vetenskaplig forskning. De vill experimentellt bekräfta orden från akademiker Timiryazev: "".

Våra forskares metodik är ingenstans enklare. De spårar hur mycket gräs djuren äter i sin naturliga miljö. Kaloriinnehållet i detta foder - d.v.s. mängden värme som frigörs när den förbränns i en kalorimeter är redan känd för forskarna. Det återstår bara att jämföra mängden av denna "potentiella energi" som finns i saigans mat med det arbete som dess muskler producerar under dess liv.

Men … ju längre forskarna observerade, desto mer melankoliska blev de. Du förstår, dessa saigas var på något sätt fel. De åt lite - antalet kalorier i deras ransoner visade sig vara flera gånger mindre än energiförbrukningen för deras muskler. Fettreserverna hade inget med det att göra - vad är dina fettreserver på sommaren? Det mest kränkande var att saigorna störtade alla "vetenskapligt grundade normer": kaloriinnehållet i deras mat räckte uppenbarligen inte till för livet, och de såg ganska glada ut … Här är en charmig saiga som blinkar mot forskarna, graciöst lyfter på svansen och ger ut ytterligare en sats bajs. "Har du sett vad han gör? - En observatör kunde inte motstå. - Hånar oss, idisslare varelse! –”Lugna dig, kollega! - svarade den andra. – Tvärtom, säger hon till oss: vi har inte avslutat experimentet! Detta … höet gick genom kon - det, torkat, brinner också! Lokalbefolkningen använder det som bränsle!" – "Vill du säga, kollega, att det här … just den här … också har ett kaloriinnehåll?" - "Exakt! Och vi ska mäta det!"

Inte tidigare sagt än gjort. Kalorimetern hade inget kul när de brände bajs i den – men för vetenskapens skull fick jag stå ut. Forskarna hade dock ännu mindre roligt när de blev övertygade om att kaloriinnehållet i bajs är detsamma som kaloriinnehållet i originalfodret. Det visade sig att på nivån av Timiryazevs "potentiella energi som finns i organiskt material" konsumerar djuret inte bara mycket mindre än vad som krävs för dess musklers arbete, utan släpper också lika mycket som det konsumerar. Det vill säga, det finns absolut ingenting kvar för att musklerna ska fungera. Våra forskare var väl medvetna om att sådana märkliga slutsatser inte var för deras rapporter. Därför stänkte de aska på håret - samma brända bajs - och det var slutet på det.

Och än så länge är situationen vad gäller "kaloriinnehållet i mat" en baksmälla av något slag. Om du frågar dietister om hur många kalorier om dagen som ska konsumeras med mat för att "garanterat gå ner i vikt på två veckor", kommer de att förklara allt för dig i detalj - dessutom kommer de att ta det billigt och kommer inte att blinka med ett öga. Deras jobb är så här … Men vi frågar akademikerna: varifrån kommer kalorierna som saigas använder för att gå, tugga och lyfta svansen? Och akademiker gillar inte denna fråga särskilt mycket. Smärtsamt är han obekväm för dem. Det maximala du kan uppnå från dem är en vädjan till det faktum att levande organismer, säger de, är de mest komplexa högorganiserade systemen, och därför, säger de, har de ännu inte studerats tillräckligt. Så ni, farbröder, inom ramen för studien av levande organismer, håller ni mamma om resultaten av kalorimetriska mätningar som de som beskrivs ovan? Eller är du rädd att du ska behöva rodna när barnen skrattar åt dig? Nåväl, här är en beprövad folkmedicin för dig: gnugga rödbetsnosen - om du rodnar kommer det inte att märkas så mycket.

Hur kom akademiker till det här livet? Okej, även om levande organismer är för svåra för dem. Men i ett livlöst ämne, som är föremål för verkan av endast fysikaliska och kemiska lagar - är det då att frågor med kalorier ska vara helt transparenta? Vi pratar inte om de fenomen som finns i acceleratorer och kolliderare. Det är fenomen som vem som helst kan reproducera i sitt eget kök. Det verkar som om kolossala praktiska erfarenheter borde ha formats till helt klara idéer om värme. Men vi kommer att berätta hur denna upplevelse verkligen tog form.

Även forntida filosofer i frågan om värmens natur var uppdelade i två läger. Vissa trodde att värme är ett oberoende ämne; ju mer det är i kroppen, desto varmare är det. Andra trodde att värme är en manifestation av någon egenskap som är inneboende i materia: i ett givet tillstånd av materia är kroppen kallare eller varmare. Under medeltiden dominerade det första av dessa begrepp, vilket är lätt att förklara. Begreppen om materiens struktur på atom- och molekylnivå var då helt outvecklade - och därför var det ett mysterium den egenskapen hos materien som kunde vara ansvarig för värme. Filosofer, i den överväldigande majoriteten, brydde sig inte om att försöka hitta denna mystiska egendom - men, ledda av flockinstinkten, höll de sig till det bekväma begreppet värme som en "brännämne".

Åh, vad ihärdigt de höll fast vid det - till kramp i greppmusklerna. Förstå: den värmerika materien, som det var, överförs från varma till kalla kroppar när de kommer i kontakt. Ju mer kaloririka ämnen i kroppen, desto högre kroppstemperatur. Vad är temperatur? Och detta är bara ett mått på halten av kalorier. Om värmematerialet överförs från höger till vänster, är temperaturen högre till höger. Och vice versa. Om värmematerialet inte överförs vare sig till höger eller vänster, så är temperaturerna till höger och vänster desamma. Låt begreppen "kalorisk materia" och "temperatur" visa sig vara sammankopplade med en logisk ond cirkel, men annars var allt fantastiskt. Det var till och med möjligt att dra praktiska slutsatser: för att värma en kropp är det nödvändigt att lägga till kalorimaterial till den - i jämförelse med vad den redan har. Och för ett sådant tillägg krävs en mer uppvärmd kropp, annars överförs inte det kaloririka materialet. Glans! På basis av dessa idéer gjordes fungerande värmemotorer! Principen om oförstörbarheten av värmeämnen formulerades till och med, det vill säga i själva verket lagen om värmebevarande!

Naturligtvis är det idag lätt för oss att prata om naiviteten i dessa medeltida egenheter. Idag vet vi att värme är en av energiformerna, och lagen om energibevarande fungerar inte för någon av dess former. Denna lag fungerar för energi som helhet - med hänsyn till det faktum att vissa former av energi kan omvandlas till andra. Men i den eran när kalorimateria ansågs vara en integrerad del av universum, ledde principen om dess oförstörbarhet, på grund av anspråk på den universella räckvidden, filosofer till vördnad. För experimentell bekräftelse av denna princip - sant, inte på en universell, utan i lokal skala - uppfanns dessa lådor med dubbel botten, kallade kalorimetrar, och togs i bruk.

Det är fantastiskt: under vetenskapliga och tekniska framsteg, från mekaniska stoppur, bytte de först till kvarts och sedan till atomur, från jordmätband bytte de till laseravståndsmätare och sedan till GPS-mottagare - och bara kalorimetrar vände ut att vara absolut oersättlig i fråga om direkta termiska effekter. Hittills har kalorimetrar tjänat sina användare troget: användare tror på dem och tror att de med deras hjälp vet sanningen. Och på medeltiden bad man om dem, skyddade dem från det onda ögat och till och med gasade med rökelse - vilket dock inte hjälpte så mycket. Titta här: processen som studeras fortsatte i ett glas med värmeledande väggar, som var inuti ett stort glas fyllt med en buffertsubstans. Om, under den studerade processen, värmematerialet frigjordes eller absorberades, ökade respektive minskade buffertämnets temperatur. Det uppmätta värdet i båda fallen var buffertsubstansens temperaturskillnad före och efter den undersökta processen - denna skillnad bestämdes med en termometer. Voila! Det är sant att en liten svårighet upptäcktes snabbt. Mätningarna upprepades med samma testprocess, men med olika buffertämnen. Och det visade sig att samma vikter av olika buffertämnen, som får samma mängd värmeämnen, värms upp olika grader. Utan att tänka två gånger introducerade mästarna i termiska frågor i vetenskapen ytterligare en karaktäristisk för ämnen - värmekapacitet. Detta är ganska enkelt: värmekapaciteten är större för ämnet som innehåller mer värmeämnen för att allt annat lika värmas upp lika många grader. Vänta vänta! Sedan, för att bestämma den termiska effekten med den kalorimetriska metoden, krävs att man i förväg känner till buffertämnets värmekapacitet! Hur vet du? Värmemästarna, utan att anstränga sig, gav också svar på denna fråga. De insåg snabbt att deras lådor är enheter med dubbla ändamål som är lämpliga för att mäta inte bara termiska effekter, utan också värmekapacitet. När allt kommer omkring, om du mäter temperaturskillnaden för buffertämnet och vet hur mycket värmealstrande material som absorberas av det, så finns den önskade värmekapaciteten på ditt silverfat! Och så hände det: termiska effekter mättes på basis av kunskap om värmekapacitet, och värmekapaciteter erkändes på basis av mätningar av termiska effekter. Och om någon, inte av illvilja, utan rent av nyfikenhet, frågade: "Vad mätte du först - värme eller värmekapacitet?" - då svarade han i denna anda: "Hör du, smart kille, vad kom först - en höna eller ett ägg?" – och den kloke mannen förstod att han inte borde ställa dumma frågor.

Kort sagt: om du inte ställer dumma frågor, så var allt bra i den kalorimetriska metoden, med undantag för en nyans. Redan från början var denna metod baserad på nyckelpostulatet att värmehaltig materia bara kan strömma från mer upphettade kroppar till mindre upphettade. Då hade ingen tänkt på en enkel sak: om detta nyckelpostulat är korrekt, kommer temperaturen i alla kroppar med tiden att jämnas ut - och, som de säger, amen. Men om någon hade tänkt på det, skulle de rimligen ha invänt mot honom att Guds plan inte kunde innehålla en sådan dumhet - och på detta skulle alla ha lugnat ner sig.

Med ett ord, begreppet värmehaltig materia i vetenskapen är bekvämt uppvärmd. Därför passade vår Lomonosov, med sin rustika enkelhet, inte in i denna idyll. Trots allt höll han sig inte till vissa begrepp, han forskade i dem – och erbjöd mer adekvata i gengäld. I "Reflektioner om orsaken till värme och kyla" (1744) formulerade Lomonosov tydligt orsaken till värme - som är "" av kroppspartiklar. Förresten, han gjorde omedelbart en fenomenal slutsats: "". Idag används en mer högvetenskaplig term - "absolut nolltemperatur", men namnet Lomonosov nämns inte. När allt kommer omkring hade han oförsiktigheten att förstöra begreppet värmehaltig materia! Så han skrev att filosoferna inte visade - "". "" Om filosoferna då hade använt kvantmekanikens metoder, skulle de ha kommit på någon form av "reduktion av den termiska funktionen". Även om det trots all "medeltida obskurantism" ansågs oanständigt att vara så uppriktigt sagt idiotiskt - det blev vanligt först på 1900-talet. Det var fortfarande en lång väntan … Och Lomonosov red ut följande vanföreställning - om vikten av "brännämnen". "". Tyvärr, den välkände Robert Boyle har gjort något fel: när metallen rostas bildas fjäll på den, och vikten på provet ökar – men på grund av det ämne som tillförts som ett resultat av den oxidativa reaktionen. "", Dessutom, "". Men Lomonosov kontrollerade också "".

Jämfört med dessa förödande argument, var hela läran om värmemateria barnsligt babbel - även lärlingar i kemiska laboratorier förstod detta. Men de akademiska mästarna erkände inte Lomonosovs rättighet - de höll klokt nog en dödlig tystnad. "I ärendet har vi inget att argumentera för," tänkte de. "Men det kan inte vara så att vi alla är dårar, och bara han är ett geni." Dessutom kom denna tanke tvångsmässigt till alla akademiska huvuden. Även om akademikerna inte kom överens, manifesterade det sig utåt som en världskonspiration på hundra dollar. Och de var alla de mest ärliga och ädla människorna. När det gäller urval - varandra är mer ärliga och ädla. En hederlig körde på en hederlig och körde en ädel.

Ta Euler, som ansågs vara en vän till Lomonosov. När vetenskapsakademin i Paris utlyste en tävling om det bästa verket om värmens natur, vann den tävlingen och fick Eulerpriset, som skrev i det presenterade verket: "" (1752). Men detta Eulerfall var ett undantag. Resten av de "ärliga och ädla" höll tyst och väntade tålmodigt på Lomonosovs död (1765). Och först efter det, efter att ha väntat ytterligare sju år på att vara trogna, började de återigen sitt rullband om kalorier. Du förstår, det var omöjligt att erkänna att Lomonosov hade rätt. Om han nu hade gjort någon liten sak – till exempel avslöjat samma Boyles vanföreställningar, och det är det – så skulle Lomonosovs lag finnas i läroböcker nu, liksom Boyle-Mariottes lag. Och Lomonosov rycktes med och skyfflade all den tidens vetenskap. Håller med, skriv inte i läroböcker "Lomonosovs första lag", "Lomonosovs andra lag", etc. - när poängen går till många tior! Studenter kommer att bli förvirrade! Det var därför som färska experimentella fakta, som kunde tolkas i en anda av kalorimateria, passerade med en smäll.

Och det finns några fakta. På den tiden hade naturforskare ett sätt: att blanda sådan och sådan mängd kallt vatten med sådan och sådan mängd varmt vatten - och bestämma den resulterande temperaturen på blandningen. Erfarenheten bekräftade Richmans formel: temperaturvärdet var ett vägt medelvärde - i det speciella fallet, med lika mängder kallt och varmt vatten, var det det aritmetiska medelvärdet. Och så: kemisten Black, och sedan även kemisten Wilke, började kontrollera Richmann-formeln för fallet att blanda hett vatten inte med kallt vatten, utan med is - och beslutade att, vid smältpunkten, "den isen, det vattnet är en skit”. Resultatet blev – idag kan man säga säkert – helt otrolig. Den slutliga vattentemperaturen för fallet med initiala lika stora isvikter vid 0^OC och vatten vid 70^OC visade sig vara långt ifrån det aritmetiska medelvärdet - det visade sig vara lika med 0^OS. Mind-blowing? Och då! Sinnena var så mörka att de entusiastiskt gav sig på begreppet "den latenta värmen från smältande is". Enligt detta koncept, för att smälta isen, räcker det inte att värma upp den till smälttemperaturen, vilket kommer att kräva att en viss mängd värmeämnen överförs till den, i enlighet med dess värmekapacitet - det kommer också att vara nödvändigt för att driva ytterligare en enorm mängd värmeämnen in i isen, som kommer att gå till själva smältningen. Det är sant att isens temperatur förändras inte under smältning, och termometrar reagerar inte på denna extra värmekälla - det är därför smältvärmen kallas "latent". Allt är genomtänkt! Och viktigast av allt, erfarenheten bekräftar: där, säger de, vattenvärmeförsörjningen går vid 70^OC, om inte smältande is?! Så här hittade vi det numeriska värdet av dess latenta fusionsvärme. Akademiker grät av glädje - blundade för det faktum att Blacks och Wilkes logik fungerar under det oumbärliga preliminära antagandet: mängden värme i naturen bevaras. Med detta vanföreställningsantagande bekräftade Black och Wilkes resultat verkligen närvaron av kalorihaltigt material. Allt började om igen. Men Lomonosovs ansträngningar var inte förgäves: det nuvarande kaloriinnehållet tillskrevs en sådan specifik egenskap som frånvaron av vikt - annars visade det sig faktiskt roligt. Och de släppte, istället för kalorier, en viktlös kalorivätska, för vilken de valde ett passande namn: kalori. Och de blev vackrare och vackrare än tidigare.

Varför pratar vi så detaljerat om detta? För det är användbart att veta hur det här spelet om de latenta värmen av aggregatomvandlingar dök upp i fysiken - vilket fortfarande anses vara en vetenskaplig sanning. Vi måste säga några ord om den "vetenskapliga naturen" av denna "sanning".

Föreställ dig: kalorimeterns inre glas innehåller vatten och is - i termisk jämvikt med varandra och med en buffertsubstans. En försumbar temperaturhöjning, upp till den sk. likviduspunkter - och fasjämvikten mellan is och vatten kommer att kränkas: isen kommer att börja smälta. Var kommer värmen för denna smältning ifrån? Från en buffertsubstans, eller vad? Men då kommer dess temperatur att sjunka och flödet av värme "för smältning" kommer att sluta. Faktum är att all is kommer att smälta, och temperaturen kommer att förbli vid likviduspunkten. Skandal!

Kanske anser dagens akademiker detta resultat som något slags irriterande undantag, eftersom i andra fall, säger de, slutar träffas perfekt - till exempel när man beräknar den termiska balansen för tau-Ceti-stjärnan. Nej kära ni, ni kommer inte undan med ett "undantag" här. Enligt din åsikt bör isbildningen i öppna vattendrag också åtföljas av en termisk effekt - bara nu bör samma "fusionsvärme" släppas ut. Ni, mina kära, tog sig besväret att lista ut – vilka resultat ska detta leda till? Is växer underifrån, och isens värmeledningsförmåga är två storleksordningar sämre än vattens. Därför bör praktiskt taget all "fusionsvärme" släppas ut i vattnet under isen. Om vi ersätter referensvärdena i den enklaste värmebalansekvationen för det aktuella fallet, visar det sig att bildandet av ett 1 mm lager av is skulle orsaka uppvärmning av ett intilliggande 1 mm lager av vatten med 70 grader (och en 0,5 mm vattenskikt - så mycket som 140 grader, dock redan vid 100 grader^ODet skulle börja koka). Hur gillar ni det här resultatet, kära ni? Kanske kommer du att säga att vi inte har tagit hänsyn till den termiska blandningen av vatten förgäves? Ja, i intervallet från 0^O upp till 4^OC, varmare vatten sjunker och kallare vatten stiger. Vilken! Men även under förhållanden med sådan blandning, om det fanns en värmekälla på vattenytan, skulle vattnet ovanför vara varmare än under. Faktum är att den typiska arktiska temperaturprofilen i vatten under isen är följande: vatten i kontakt med is har en temperatur nära fryspunkten, och när djupet ökar (inom ett visst lager) ökar temperaturen. Detta är uppenbara bevis: det finns inget värmeflöde in i vattnet från is, inte ens från växande is. Oceanologer insåg detta för länge sedan, så de uppfann en sådan dåre: "". Vad denna värme gör härnäst, som beräknas, i regional skala, i biljoner kilokalorier - oceanologer bryr sig inte längre; låt de atmosfäriska ingenjörerna ta itu med denna värme ytterligare. Man kan tro att oceanologer inte vet att isens värmeledningsförmåga är två storleksordningar sämre än vattens. Var, undrar man, är de arktiska expeditionerna på väg om och om igen, och vad gör hydrologerna där tillsammans med meteorologerna – skär de ut isskulpturer, eller vad?

Och det finns ingen anledning att traska till Arktis för att säkerställa att det inte släpps ut värme när vattnet fryser. På TV visade MythBusters en mycket reproducerbar upplevelse. En flaska underkyld flytande öl tas prydligt ur kylen. Du petar över den här flaskan - och ölet i den fryser till isflingor på några sekunder. Och flaskan förblir kall … Den här upplevelsen har en enorm populariserande kraft. Nyckelord: "varm, kall, flaska, öl" - allt är väldigt begripligt. Även för dagens akademiker.

Föreställ dig hur svårt det är för dessa akademiker: eftersom det inte finns någon "latent fusionshetta" kommer du inte bara behöva skriva om fysik för sjuan, utan också komma med ursäkter - hur några medeltida kemister Black och Wilke har lurat dem. Och hur kan man rättfärdiga sig själv om akademiker fortfarande inte förstår hemligheten med det tricket? Okej, låt oss visa dig. Hemligheten är att isen har 0^O, efter att ha blandat det med varmt vatten, höjer det inte sin temperatur: det smälter vid en konstant temperatur. Och tills det smälter helt, är det en källa till kylning: vattnet i kontakt med det, som först var varmt, blir varmt, sedan kallt, sedan is … med lika startvikter av is vid 0^OC och vatten vid 70^OС, allt resulterande vatten kommer att vara 0^OC. Fallet är, som du kan se, enkelt. Men nej, de kräver en förklaring av oss - men var, säger de, blev värmen som varmvattnet hade? Vänner, denna fråga skulle vara relevant om lagen om bevarande av värme skulle fungera i naturen. Men termisk energi bevaras inte: den omvandlas fritt till andra energiformer. Nedan kommer vi att illustrera att ett slutet system är ganska kapabelt att ändra sin temperatur - och till och med på olika sätt.

Och vad gäller en sådan aggregerad omvandling av materia som smältning är det uppenbart att den inte behöver någon "latent värme". Värm provet till dess smältpunkt - och bibehåll det vid behov - och provet kommer att smälta utan hjälp. De som tittade på filmeposet "Sagan om ringen" minns nog de sista sekunderna av Allmaktens Ring. Den föll in i munnen på det "eldsprutande berget" - och nu ligger den där, ligger … värms upp, värms … och till sist - en chomp! Och istället för en ring - sprider redan droppar. Denna scen var mycket framgångsrik för filmskaparna. Full känsla av verklighet!

(Ett utdrag med en ring kan ses på länken:

Guld har bra värmeledningsförmåga, och ringen var liten, så den värmdes upp i sin helhet på en gång. Och omedelbart i hela volymen värmdes den till smältpunkten - omedelbart och smälte, utan onödiga värmekrav. Förresten, ögonvittnen till uppvärmning av metallskrot, till exempel aluminium i induktionsugnar, vittnar: det smälter inte gradvis, droppe för droppe - tvärtom börjar utskjutande fragment att flyta och flöda omedelbart genom hela sin volym. När det gäller is är frånvaron av onödiga värmekrav för smältning inte uppenbar bara för att isens värmeledningsförmåga är mycket sämre än metallers. Därför smälter isen gradvis, droppe för droppe. Men principen är densamma: det som värms upp till smältpunkten - sedan omedelbart smält.

O. Kh. Derevensky

Läs fullständigt