Henger opp med varmen

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

"I dag lærer barn de riktige ideene om varme allerede i syvende klasse."

(Fra samlingen "Jokes of Great Scientists")

… Den kasakhiske steppen svidd av solen. Forskere fra en liten ekspedisjonsgruppe, tørker svette, observerer saigaene. Disse forskerne driver ansvarlig vitenskapelig forskning. De ønsker å eksperimentelt bekrefte ordene til akademiker Timiryazev: "".

Metodikken til våre forskere er ikke noe enklere. De sporer hvor mye gress dyrene spiser i sitt naturlige miljø. Kaloriinnholdet i dette fôret - dvs. mengden varme som frigjøres når den brennes i et kalorimeter er allerede kjent for forskere. Det gjenstår bare å sammenligne mengden av denne "potensielle energien" i maten til saigaen med arbeidet som musklene produserer i løpet av livet.

Men … jo lenger forskerne observerte, jo mer melankolske ble de. Du skjønner, disse saigaene var på en eller annen måte feil. De spiste litt - antall kalorier i rasjoner viste seg å være flere ganger mindre enn energiforbruket til musklene. Fettreservene hadde ingenting med det å gjøre - hva er fettreservene dine om sommeren? Det mest støtende var at saigaene veltet alle "vitenskapelig funderte normer": kaloriinnholdet i maten deres var tydeligvis ikke nok for livet, og de så ganske muntre ut … Her er en sjarmerende saiga som blunker til forskerne, grasiøst løfter halen og gir ut enda en haug med bæsj. «Har du sett hva han gjør? – En observatør kunne ikke motstå. - Håner oss, drøvtyggende skapning! – «Ro deg ned, kollega! - svarte den andre. – Tvert imot, sier hun til oss: vi har ikke brakt forsøket til slutt! Dette … høyet gikk gjennom kua - det, tørket, brenner også! Lokalbefolkningen bruker det som drivstoff!" - "Vil du si, kollega, at denne … nettopp denne … også har et kaloriinnhold?" - "Nøyaktig! Og vi skal måle det!"

Ikke før sagt enn gjort. Kalorimeteret hadde ikke noe moro når de brente bæsj i det - men for vitenskapens skyld måtte jeg holde ut. Forskerne hadde imidlertid enda mindre moro da de ble overbevist om at kaloriinnholdet i bæsj er det samme som kaloriinnholdet i originalfôret. Det viste seg at på nivået av Timiryazevs "potensielle energi inneholdt i organisk materiale", forbruker dyret ikke bare mye mindre enn det som kreves for arbeidet med musklene, men frigjør også så mye som det forbruker. Det vil si at det er absolutt ingenting igjen for at musklene skal jobbe. Våre forskere var godt klar over at slike merkelige konklusjoner ikke var for rapportene deres. Derfor strødde de aske på håret deres - den samme brente avføringen - og det var slutten på det.

Og så langt er situasjonen angående "kaloriinnholdet i mat" en bakrus av noe slag. Hvis du spør ernæringsfysiologer om hvor mange kalorier om dagen som bør konsumeres med mat for å "garantert gå ned i vekt om to uker", vil de forklare deg alt i detalj - dessuten vil de ta det billig og vil ikke blinke med et øye. Jobben deres er slik … Men vi spør akademikerne: hvor kommer kaloriene som saigaer bruker til å gå, tygge og løfte halen fra? Og akademikere liker ikke dette spørsmålet veldig godt. Smertefullt er han ukomfortabel for dem. Det maksimale du kan oppnå fra dem er en appell til det faktum at levende organismer, sier de, er de mest komplekse, høyt organiserte systemene, og derfor, sier de, ennå ikke er tilstrekkelig studert. Så dere, onkler, innenfor rammen av studiet av levende organismer, holder dere mamma om resultatene av kalorimetriske målinger som de som er beskrevet ovenfor? Eller er du redd for at du må rødme når barna ler av deg? Vel, her er et velprøvd folkemiddel for deg: gni rødbetesnuten din - hvis du rødmer, vil det ikke være så merkbart.

Hvordan kom akademikere til dette livet? Ok, selv om levende organismer er for vanskelige for dem. Men i et livløst stoff, som er underlagt virkningen av kun fysiske og kjemiske lover - er det da at spørsmål med kalorier skal være helt gjennomsiktige? Vi snakker ikke om fenomenene som finnes i akseleratorer og kollidere. Dette er fenomener som alle kan reprodusere på sitt eget kjøkken. Det ser ut til at kolossal praktisk erfaring burde vært støpt til helt klare ideer om varme. Men vi skal fortelle deg hvordan denne opplevelsen virkelig tok form.

Selv eldgamle filosofer i spørsmålet om varmens natur ble delt inn i to leire. Noen mente at varme er et selvstendig stoff; jo mer det er i kroppen, jo varmere er det. Andre mente at varme er en manifestasjon av en eller annen egenskap som ligger i materien: i en gitt materietilstand er kroppen kaldere eller varmere. I middelalderen dominerte det første av disse konseptene, noe som er lett å forklare. Begrepene om materiens struktur på atom- og molekylnivå var da fullstendig uutviklet - og derfor var det et mysterium den egenskapen til materien som kunne være ansvarlig for varme. Filosofer, i overveldende flertall, brydde seg ikke om å prøve å finne denne mystiske egenskapen - men, ledet av flokkinstinktet, holdt de seg til det praktiske konseptet med varme som en "brennstoff".

Å, hvor iherdig de holdt fast ved det - til kramper i gripemusklene. Forstå: brennstoffet, som det var, overføres fra varme til kalde kropper når de kommer i kontakt. Jo mer brennstoff i kroppen, desto høyere er kroppstemperaturen. Hva er temperatur? Og dette er bare et mål på innholdet av brennstoff. Hvis brennstoffet overføres fra høyre til venstre, er temperaturen høyere til høyre. Og vice versa. Hvis brennstoffet ikke overføres verken til høyre eller venstre, er temperaturene til høyre og venstre de samme. La begrepene "brennstoff" og "temperatur" vise seg å være forbundet med en logisk ond sirkel, men ellers var alt fantastisk. Det var til og med mulig å trekke praktiske konklusjoner: for å varme opp en kropp, er det nødvendig å legge til kaloristoff til den - sammenlignet med det den allerede har. Og for et slikt tillegg kreves en mer oppvarmet kropp, ellers vil ikke brennstoffet bli overført. Skinne! På grunnlag av disse ideene ble det laget varmemotorer! Prinsippet om uforgjengelighet av brennstoff ble til og med formulert, det vil si faktisk loven om bevaring av varme!

Selvfølgelig er det i dag lett for oss å snakke om naiviteten til disse middelalderske særhetene. I dag vet vi at varme er en av energiformene, og loven om energibevaring fungerer ikke for noen av dens former. Denne loven fungerer for energi som en helhet - med tanke på at noen former for energi kan omdannes til andre. Men i den epoken da brennstoff ble betraktet som en integrert del av universet, førte prinsippet om dets uforgjengelighet, på grunn av krav om det universelle omfanget, filosofer til ærefrykt. For eksperimentell bekreftelse av dette prinsippet - sant, ikke på universell, men i lokal skala - ble disse boksene med dobbel bunn, kalt kalorimetre, oppfunnet og tatt i bruk.

Det er utrolig: i løpet av vitenskapelig og teknologisk fremgang, fra mekaniske stoppeklokker, byttet de først til kvarts, og deretter til atomklokker, fra jordmålebånd byttet de til laseravstandsmålere, og deretter til GPS-mottakere - og bare kalorimetre snudde ut til å være absolutt uerstattelig når det gjelder direkte bestemmelse av termiske effekter. Til nå tjener kalorimetre sine brukere trofast: brukere tror på dem og tror at de med deres hjelp vet sannheten. Og i middelalderen ble de bedt for dem, beskyttet mot det onde øyet, og til og med desinficert med røkelse – noe som imidlertid ikke hjalp mye. Her, se: prosessen som studeres foregikk i et glass med varmeledende vegger, som var inne i et stort glass fylt med en buffersubstans. Hvis brennstoffet ble frigjort eller absorbert under prosessen som ble undersøkt, økte eller reduserte temperaturen til bufferstoffet. Den målte verdien i begge tilfeller var temperaturforskjellen til bufferstoffet før og etter prosessen som ble undersøkt - denne forskjellen ble bestemt ved hjelp av et termometer. Voila! Riktignok ble en liten vanskelighet raskt oppdaget. Målingene ble gjentatt med samme testprosess, men med forskjellige bufferstoffer. Og det viste seg at de samme vektene av forskjellige bufferstoffer, som får samme mengde brennstoff, varmes opp med forskjellige grader. Uten å tenke to ganger, introduserte mesterne i termiske anliggender i vitenskapen en mer karakteristisk for stoffer - varmekapasitet. Dette er ganske enkelt: varmekapasiteten er større for stoffet som inneholder mer brennstoff for å varmes opp med like mange grader, alt annet likt. Vent vent! Deretter, for å bestemme den termiske effekten ved hjelp av den kalorimetriske metoden, er det nødvendig å vite på forhånd varmekapasiteten til bufferstoffet! Hvordan vet du? Varmemesterne, uten å anstrenge seg, ga svar på dette spørsmålet også. De innså raskt at boksene deres er enheter med to formål som er egnet for å måle ikke bare termiske effekter, men også varmekapasiteter. Tross alt, hvis du måler temperaturforskjellen til bufferstoffet og vet mengden varmegenererende stoff som absorberes av det, så er ønsket varmekapasitet på sølvfatet ditt! Og slik skjedde det: termiske effekter ble målt på grunnlag av kunnskap om varmekapasiteter, og varmekapasiteter ble gjenkjent på grunnlag av målinger av termiske effekter. Og hvis noen, ikke av ondskap, men rent av nysgjerrighet, spurte: "Hva målte du først - varme eller varmekapasitet?" - så ble han svart i denne ånden: "Hør her, smart fyr, hva kom først - en kylling eller et egg?" - og den kloke fyren forsto at han ikke skulle stille dumme spørsmål.

Kort sagt: Hvis du ikke stiller dumme spørsmål, så var alt bra i den kalorimetriske metoden, med unntak av en nyanse. Helt fra begynnelsen var denne metoden basert på nøkkelpostulatet om at brennstoff bare er i stand til å strømme fra mer oppvarmede legemer til mindre oppvarmede. Da hadde ingen tenkt på en enkel ting: Hvis dette nøkkelpostulatet er riktig, vil temperaturene i alle kropper over tid utjevnes - og, som de sier, amen. Men hvis noen hadde tenkt på det, ville de rimeligvis ha innvendt mot ham at Guds plan ikke kunne inneholde en slik dumhet - og på dette ville alle blitt roligere.

Kort sagt, begrepet brennstoff i vitenskapen varmes komfortabelt opp. Derfor passet ikke vår Lomonosov, med sin rustikke enkelhet, inn i denne idyllen. Tross alt holdt han seg ikke til visse konsepter, han undersøkte dem – og tilbød mer dekkende til gjengjeld. I "Refleksjon over årsaken til varme og kulde" (1744) formulerte Lomonosov tydelig årsaken til varme - som er "" av kroppspartikler. Forresten, gjorde han umiddelbart en fenomenal konklusjon: "". I dag brukes et mer vitenskapelig begrep - "absolutt nulltemperatur", men navnet på Lomonosov er ikke nevnt. Tross alt hadde han den uforskammethet å ødelegge konseptet med brennstoff! Så han skrev at filosofene ikke viste - "". "" Hvis filosofene da hadde brukt kvantemekanikkens metoder, ville de ha kommet opp med en slags "reduksjon av den termiske funksjonen". Selv om det, for all den "middelalderske obskurantismen", ble ansett som uanstendig å være så ærlig idiotisk - det ble vanlig først på det tjuende århundre. Det var fortsatt en lang ventetid … Og Lomonosov ordnet ut følgende vrangforestilling - om vekten av "brennstoff". "". Akk, den velkjente Robert Boyle har gjort noe galt: Når metallet brennes, dannes det skjell på det, og vekten av prøven øker – men på grunn av stoffet tilsatt som følge av den oksidative reaksjonen. "", Dessuten, "". Men Lomonosov kontrollerte også "".

Sammenlignet med disse ødeleggende argumentene, var hele læren om brennstoffstoff barnslig babling - selv lærlinger i kjemiske laboratorier forsto dette. Men de akademiske mesterne anerkjente ikke Lomonosovs rettferdighet - de holdt klokelig en dødsstille. "I saken har vi ingenting å krangle," regnet de med. "Men det kan ikke være at vi alle er idioter, og han alene er et geni." Dessuten kom denne tanken obsessivt til alle akademiske hoder. Selv om akademikerne ikke kom til enighet, manifesterte det seg utad som en verdenskonspirasjon på hundre dollar. Og de var alle de mest ærlige og edle mennesker. Når det gjelder utvalg - hverandre er mer ærlige og edle. En ærlig kjørte på en ærlig og kjørte en edel.

Ta Euler, som ble ansett som en venn av Lomonosov. Da vitenskapsakademiet i Paris utlyste en konkurranse for det beste verket om varmens natur, vant det konkurransen og mottok Euler-prisen, som skrev i det presenterte verket: "" (1752). Men denne Euler-saken var et unntak. Resten av de "ærlige og edle" tiet og ventet tålmodig på Lomonosovs død (1765). Og først etter det, etter å ha ventet ytterligere syv år på å være trofaste, startet de igjen sin løpebane om brennstoff. Du skjønner, det var umulig å innrømme at Lomonosov hadde rett. Nå, hvis han hadde gjort en liten ting - for eksempel avslørt vrangforestillingene til den samme Boyle, og det var det - så ville Lomonosovs lov vært i lærebøker nå, som Boyle-Mariotte-loven. Og Lomonosov lot seg rive med og måke all datidens vitenskap. Enig, ikke skriv i lærebøker "Lomonosovs første lov", "Lomonosovs andre lov", etc. - når poengsummen går til mange tiere! Studentene vil bli forvirret! Derfor gikk ferske eksperimentelle fakta, som kunne tolkes i brennstoffets ånd, med et smell.

Og det er noen fakta. I de dager hadde naturforskere en mote: å blande en slik mengde kaldt vann med en slik mengde varmt vann - og bestemme den resulterende temperaturen til blandingen. Erfaring bekreftet Richmans formel: temperaturverdien var et vektet gjennomsnitt - i det spesielle tilfellet, med like mengder kaldt og varmt vann, var det det aritmetiske gjennomsnittet. Og så: kjemikeren Black, og deretter også kjemikeren Wilke, begynte å sjekke Richmann-formelen for tilfellet med å blande varmt vann ikke med kaldt vann, men med is - og bestemte at, ved smeltepunktet, "den isen, det vannet er en dritt». Resultatet ble – i dag kan det sies med sikkerhet – helt utrolig. Den endelige vanntemperaturen for tilfellet med innledende like isvekter på 0^OC og vann ved 70°C^OC viste seg å være langt fra det aritmetiske gjennomsnittet - det viste seg å være lik 0^OS. Snusende? Og så! Sinnene var så mørke at de entusiastisk ga seg opp til konseptet «den latente varmen fra smeltende is». I henhold til dette konseptet, for å smelte isen, er det ikke nok å varme den til smeltetemperaturen, noe som vil kreve at en viss mengde brennstoff blir kommunisert til den, i samsvar med dens varmekapasitet - det vil også være nødvendig for å drive en ekstra enorm mengde brennstoff inn i isen, som vil gå til selve smeltingen. Riktignok endres ikke temperaturen på isen under smelting, og termometre reagerer ikke på dette ekstra brennstoffet - det er derfor smeltevarmen kalles "latent". Alt er gjennomtenkt! Og viktigst av alt, erfaring bekrefter: hvor, sier de, vannvarmeforsyningen går på 70^OC, hvis ikke smelter is?! Dette er hvordan vi fant den numeriske verdien av dens latente fusjonsvarme. Akademikere gråt av glede - lukker øynene for det faktum at logikken til Black og Wilke fungerer under den uunnværlige foreløpige antagelsen: mengden varme i naturen er bevart. Med denne vrangforestillingen bekreftet Black og Wilkes resultater faktisk tilstedeværelsen av brennstoff. Alt startet på nytt. Lomonosovs innsats var imidlertid ikke forgjeves: det nåværende brennstoffet ble tilskrevet en så spesifikk egenskap som fravær av vekt - ellers viste det seg faktisk morsomt. Og de frigjorde, i stedet for brennstoff, en vektløs kalorivæske, som de valgte et passende navn for: kalori. Og de ble vakrere og vakrere enn før.

Hvorfor snakker vi så detaljert om dette? Fordi det er nyttig å vite hvordan dette spillet om de latente varmene til aggregerte transformasjoner dukket opp i fysikk - som fortsatt regnes som en vitenskapelig sannhet. Vi må si noen ord om den "vitenskapelige naturen" til denne "sannheten".

Tenk deg: det indre glasset i kalorimeteret inneholder vann og is - i termisk likevekt med hverandre og med et bufferstoff. En ubetydelig temperaturstigning, opp til den såkalte. likviduspunkter - og faselikevekten mellom is og vann vil bli krenket: isen vil begynne å smelte. Hvor vil varmen for denne smeltingen komme fra? Fra et bufferstoff, eller hva? Men da vil temperaturen synke, og varmestrømmen "for smelting" vil stoppe. Faktisk vil all isen smelte, og temperaturen vil holde seg på likviduspunktet. Skandale!

Kanskje dagens akademikere anser dette resultatet for å være et slags irriterende unntak, siden i andre tilfeller, sier de, endene møtes perfekt - for eksempel når man beregner den termiske balansen til tau-Ceti-stjernen. Nei, kjære dere, dere slipper ikke med et «unntak» her. Etter din mening bør dannelsen av is i åpne vannforekomster også ledsages av en termisk effekt - bare nå bør den samme "fusjonsvarmen" frigjøres. Dere, mine kjære, tok bryet med å finne ut – hvilke resultater skal dette føre til? Is vokser nedenfra, og isens varmeledningsevne er to størrelsesordener dårligere enn vann. Derfor bør praktisk talt all "fusjonsvarme" slippes ut i vannet under isen. Hvis vi erstatter referanseverdiene i den enkleste varmebalanseligningen for det aktuelle tilfellet, viser det seg at dannelsen av et 1 mm lag med is vil forårsake oppvarming av et tilstøtende 1 mm lag med vann med 70 grader (og en 0,5 mm vannlag - så mye som 140 grader, men allerede ved 100 grader^ODet ville begynne å koke). Hvordan liker dere dette resultatet, kjære dere? Kanskje du vil si at vi ikke har tatt hensyn til termisk blanding av vann forgjeves? Faktisk i området fra 0^O opptil 4^OC, varmere vann synker, og kaldere vann stiger. For en! Men selv under forholdene for slik blanding, hvis det var en varmekilde på overflaten av vannet, ville vannet over være varmere enn under. Faktisk er den typiske arktiske temperaturprofilen i vann under isen som følger: vann i kontakt med is har en temperatur nær frysepunktet, og når dybden øker (innenfor et visst lag), øker temperaturen. Dette er åpenbare bevis: det er ingen varmestrøm inn i vannet fra is, selv fra voksende is. Oseanologer innså dette for lenge siden, så de oppfant en slik tosk: "". Hva denne varmen gjør videre, som er beregnet, i regional skala, i billioner av kilokalorier - oseanologer bryr seg ikke lenger; la de atmosfæriske ingeniørene håndtere denne varmen videre. Man skulle kanskje tro at oseanologer ikke vet at isens varmeledningsevne er to størrelsesordener dårligere enn vann. Hvor, lurer man på, er de arktiske ekspedisjonene på vei igjen og igjen, og hva gjør hydrologene der sammen med meteorologene – kutter de ut isskulpturer, eller hva?

Og det er ingen grunn til å traske til Arktis for å sikre at det ikke slipper varme når vannet fryser. På TV viste MythBusters en svært reproduserbar opplevelse. En flaske superkjølt flytende øl tas pent ut av kjøleskapet. Du pirker over denne flasken – og ølet i den fryser til isflak i løpet av noen sekunder. Og flasken forblir kald … Denne opplevelsen har en enorm populariserende kraft. Stikkord: "varm, kald, flaske, øl" - alt er veldig forståelig. Selv for dagens akademikere.

Tenk deg hvor vanskelig det er for disse akademikerne: siden det ikke er noen «latent fusjonsvarme», må du ikke bare skrive om fysikk for sjuende klasse, men også finne på unnskyldninger – hvordan noen middelalderske kjemikere Black og Wilke har lurt dem. Og hvordan kan man rettferdiggjøre seg selv hvis akademikere fortsatt ikke forstår hemmeligheten bak det trikset? Ok, la oss vise deg. Hemmeligheten er at is på 0^O, etter å ha blandet det med varmt vann, øker det ikke temperaturen: det smelter ved en konstant temperatur. Og til det smelter helt, er det en kilde til avkjøling: vannet i kontakt med det, som først var varmt, blir varmt, så kjølig, så is … med like startvekter av is ved 0^OC og vann ved 70°C^OС, alt det resulterende vannet vil være på 0^OC. Saken, som du kan se, er enkel. Men nei, de krever en forklaring fra oss – men hvor ble det, sier de, varmen som varmtvannet hadde? Venner, dette spørsmålet ville vært relevant hvis loven om bevaring av varme ville fungere i naturen. Men termisk energi blir ikke bevart: den omdannes fritt til andre former for energi. Nedenfor vil vi illustrere at et lukket system er ganske i stand til å endre temperaturen – og til og med på forskjellige måter.

Og når det gjelder en slik aggregert transformasjon av materie som smelting, er det åpenbart at den ikke trenger noen "latent varme". Varm prøven til smeltepunktet - og oppretthold den om nødvendig - og prøven vil smelte uten hjelp. De som så filmeposet «Ringenes Herre» husker nok de siste sekundene av Allmaktsringen. Den falt inn i munningen av det "ildpustende fjellet" - og nå ligger den der, ligger … varmes opp, varmes … og til slutt - en chomp! Og i stedet for en ring - sprer allerede dråper. Denne scenen var veldig vellykket for filmskaperne. Full følelse av virkelighet!

(Et utdrag med ring kan sees på lenken:

Gull har god varmeledningsevne, og ringen var liten, så den varmet opp i sin helhet med en gang. Og umiddelbart i hele volumet ble det oppvarmet til smeltepunktet - umiddelbart og smeltet, uten unødvendige varmekrav. Forresten, øyenvitner til oppvarming av skrapmetall, for eksempel aluminium i induksjonsovner, vitner: det smelter ikke gradvis, dråpe for dråpe - tvert imot begynner utstående fragmenter å flyte og strømme umiddelbart gjennom hele volumet. Når det gjelder is, er fraværet av unødvendig varmebehov for smelting ikke åpenbart bare fordi den termiske ledningsevnen til is er mye dårligere enn metallers. Derfor smelter isen gradvis, dråpe for dråpe. Men prinsippet er det samme: det som varmes opp til smeltepunktet - deretter umiddelbart smeltet.

O. Kh. Derevensky

Les fullstendig