Наваксване на топлина

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

„Днес децата научават правилните представи за топлината още в седми клас.“

(От сборника "Вицове на великите учени")

… Казахската степ, изгорена от слънцето. Учени от малка експедиционна група, бършейки потта, наблюдават сайгите. Тези учени провеждат отговорни научни изследвания. Те искат експериментално да потвърдят думите на академик Тимирязев: "".

Методологията на нашите учени никъде не е по-проста. Те проследяват колко трева ядат животните в естествената им среда. Калоричното съдържание на този фураж - т.е. количеството топлина, което се отделя при изгарянето й в калориметър, вече е известно на учените. Остава само да се сравни количеството на тази „потенциална енергия“, съдържаща се в храната на сайгата, с работата, която мускулите му произвеждат през живота си.

Но… колкото по-дълго учените наблюдаваха, толкова по-меланхолични ставаха. Виждате ли, тези сайги някак си грешаха. Те ядоха малко - броят на калориите в дажбите им се оказа няколко пъти по-малък от разхода на енергия на мускулите им. Мастните резерви нямаха нищо общо с това - какви са вашите мастни запаси през лятото? Най-обидното беше, че сайгите отмениха всички „научно обосновани норми“: калоричното съдържание на храната им очевидно не беше достатъчно за живот и те изглеждаха доста весели … Ето една очарователна сайга, намигаща на учените, грациозно вдигайки опашката си и издавайки още една порция изпражнения. „Виждал ли си какво прави? - не можа да устои един наблюдател. - Подиграва се с нас, преживно същество! – „Успокой се, колега! – отвърна вторият. - Напротив, тя ни казва: не сме довели експеримента до края! Това … сеното мина през кравата - то, изсушено, също гори! Местните го използват като гориво!" - „Искаш ли да кажеш, колега, че този… този много… също има калорично съдържание?“- "Точно! И ние ще го измерим!"

Не по-рано казано, отколкото направено. Калориметърът не се забавлява, когато горят акане в него - но в името на науката трябваше да търпя. Въпреки това, изследователите се забавляваха още по-малко, когато се убедиха, че калоричното съдържание на изпражненията е същото като калоричното съдържание на оригиналния фураж. Оказа се, че на нивото на "потенциалната енергия, съдържаща се в органичната материя" на Тимирязев, животното не само консумира много по-малко, отколкото е необходимо за работата на мускулите му, но и отделя толкова, колкото консумира. Тоест не остава абсолютно нищо, за да работят мускулите. Нашите учени добре знаеха, че подобни любопитни заключения не са за техните доклади. Затова те посипаха косата си с пепел - същите тези изгорени изпражнения - и това беше краят.

И досега ситуацията по отношение на "калоричното съдържание на храната" е някакъв махмурлук. Ако попитате диетолозите колко калории на ден трябва да се консумират с храна, за да „гарантирано отслабнете за две седмици“, те ще ви обяснят всичко подробно - освен това ще го приемат евтино и няма да мигне окото. Работата им е такава… Но ние питаме академиците: откъде идват калориите, които сайгите използват, за да ходят, дъвчат и повдигат опашките си? И академиците не харесват много този въпрос. Болезнено, той е неудобен за тях. Максимумът, който можете да постигнете от тях, е призив към факта, че живите организми, казват те, са най-сложните високоорганизирани системи и затова те, казват те, все още не са достатъчно проучени. Значи вие, чичовци, в рамките на изучаването на живите организми мълчите ли за резултатите от калориметричните измервания като тези, описани по-горе? Или се страхувате, че ще трябва да се изчервите, когато децата ви се смеят? Е, ето ви един изпитан народен лек: разтрийте муцуната си от цвекло – ако се изчервите, няма да се забележи толкова.

Как учените дойдоха до този живот? Добре, дори ако живите организми са твърде трудни за тях. Но в неодушевено вещество, което е подчинено на действието само на физични и химични закони - тогава въпросите с калориите трябва да бъдат напълно прозрачни? Не говорим за явленията, които се срещат в ускорителите и колайдерите. Това са феномени, които всеки може да възпроизведе в собствената си кухня. Изглежда, че колосален практически опит трябваше да бъде оформен в напълно ясни идеи за топлината. Но ние ще ви разкажем как наистина се оформи това преживяване.

Дори древните философи по въпроса за природата на топлината са били разделени на два лагера. Някои вярваха, че топлината е независимо вещество; колкото повече е в тялото, толкова по-топло е. Други вярваха, че топлината е проява на някакво свойство, присъщо на материята: в дадено състояние на материята тялото е по-студено или по-топло. През Средновековието доминира първото от тези понятия, което е лесно за обяснение. Концепциите за структурата на материята на атомно и молекулярно ниво тогава бяха напълно неразработени - и затова беше загадка това свойство на материята, което може да бъде отговорно за топлината. Философите в преобладаващото мнозинство не си направиха труда да намерят това мистериозно свойство - но, водени от стадния инстинкт, се придържаха към удобната концепция за топлината като "калорична материя".

О, колко упорито се придържаха към него - до крампи на схващащите мускули. Разберете: калоричността като че ли се прехвърля от горещи към студени тела, когато те влязат в контакт. Колкото по-калорична материя в тялото, толкова по-висока е телесната температура. Какво е температура? И това е само мярка за съдържанието на калорично вещество. Ако калоричността се прехвърля от дясно на ляво, тогава температурата е по-висока отдясно. И обратно. Ако калоричността не се прехвърля нито надясно, нито наляво, тогава температурите отдясно и отляво са еднакви. Нека понятията "калорична материя" и "температура" се окажат свързани с логически порочен кръг, но иначе всичко беше невероятно. Дори беше възможно да се направят практически заключения: за да се затопли тялото, е необходимо да се добави калорично вещество към него - в сравнение с това, което вече има. И за такова допълнение е необходимо по-загрято тяло, в противен случай калоричността няма да бъде прехвърлена. Блести! На базата на тези идеи бяха направени работещи топлинни двигатели! Дори е формулиран принципът за неразрушимост на калоричността, тоест всъщност законът за запазване на топлината!

Разбира се, днес ни е лесно да говорим за наивността на тези средновековни странности. Днес знаем, че топлината е една от формите на енергия и законът за запазване на енергията не работи за нито една от нейните форми. Този закон работи за енергията като цяло – като се вземе предвид фактът, че някои форми на енергия могат да се преобразуват в други. Но в онази епоха, когато калоричната материя се смяташе за неразделна част от Вселената, принципът на нейната неразрушимост, поради претенции за универсален обхват, кара философите да се страхуват. За експериментално потвърждение на този принцип – вярно, не в универсален, а в местен мащаб – са изобретени и пуснати в употреба тези кутии с двойно дъно, наречени калориметри.

Удивително е: в хода на научно-техническия прогрес, от механични хрономери, те първо преминаха към кварцови, а след това към атомни часовници, от земномерни ленти преминаха към лазерни далекомери, а след това към GPS приемници - и само калориметрите се обърнаха е абсолютно незаменим по отношение на директното определяне на топлинните ефекти. Досега калориметрите служат вярно на своите потребители: потребителите вярват в тях и смятат, че с тяхна помощ знаят истината. А през Средновековието за тях се молеха, защитаваха ги от злото око и дори опушваха с тамян – което обаче не помагаше много. Ето, вижте: изследваният процес протича в чаша с топлопроводими стени, която се намираше вътре в голяма чаша, пълна с буферно вещество. Ако по време на изследвания процес калоричността се отдели или абсорбира, тогава температурата на буферното вещество, съответно, се повишава или намалява. Измерената стойност и в двата случая е температурната разлика на буферното вещество преди и след изследвания процес - тази разлика се определя с помощта на термометър. Вуаля! Вярно е, че бързо беше открита лека трудност. Измерванията се повтарят със същия тестов процес, но с различни буферни вещества. И се оказа, че едни и същи тегла на различни буферни вещества, придобивайки едно и също количество калорично вещество, се нагряват в различни степени. Без да се замислят, майсторите на топлинните въпроси въведоха в науката още една характеристика на веществата - топлинния капацитет. Това е съвсем просто: топлинният капацитет е по-голям за веществото, което съдържа повече калорично вещество, за да се нагрее със същия брой градуси, при равни други условия. Чакай чакай! След това, за да се определи топлинният ефект по калориметричния метод, е необходимо предварително да се знае топлинния капацитет на буферното вещество! Откъде знаеш? Топлинните майстори, без да се напъват, дадоха отговор и на този въпрос. Те бързо разбраха, че техните кутии са уреди с двойно предназначение, които са подходящи за измерване не само на топлинни ефекти, но и на топлинни мощности. В крайна сметка, ако измерите температурната разлика на буферното вещество и знаете количеството топлогенерираща материя, абсорбирана от него, тогава желаният топлинен капацитет е на вашето сребърно поднос! И така се случи: топлинните ефекти бяха измерени въз основа на познанието за топлинните мощности, а топлинните мощности бяха разпознати въз основа на измерванията на топлинните ефекти. И ако някой, не от злоба, а чисто от любопитство, попита: "Какво мери първо - топлина или топлинен капацитет?" - тогава му отговориха в този дух: "Слушай, умник, кое е първо - кокошка или яйце?" - и мъдрецът разбра, че не трябва да задава глупави въпроси.

Накратко: ако не задавате глупави въпроси, тогава всичко беше наред в калориметричния метод, с изключение на един нюанс. От самото начало този метод се основаваше на основния постулат, че калоричната материя е способна да тече само от по-нагрети тела към по-малко нагрети. Тогава никой не се беше сетил за просто нещо: ако този ключов постулат е правилен, тогава с времето температурите на всички тела ще се изравнят - и, както се казва, амин. Обаче, ако някой се беше сетил, разумно щяха да му възразят, че Божият план не може да съдържа такава глупост - и за това всички щяха да се успокоят.

С една дума, концепцията за калоричност в науката е удобно затоплена. Следователно нашият Ломоносов със своята селска простота не се вписваше в тази идилия. В крайна сметка той не се придържаше към определени концепции, той ги изследваше – и предлагаше по-адекватни в замяна. В "Размишления за причината за топлината и студа" (1744) Ломоносов ясно формулира причината за топлината - която е "" на телесните частици. Между другото, той веднага направи феноменално заключение: "". Днес се използва по-високо научен термин - "абсолютна нулева температура", но името на Ломоносов не се споменава. В крайна сметка той имаше неблагоразумието да разруши концепцията за калоричността на материята! И така, той написа, че философите не са показали - "". „“Ако тогава философите бяха използвали методите на квантовата механика, щяха да измислят някакво „намаляване на топлинната функция“. Въпреки че, при цялото „средновековно мракобесие“, се смяташе за неприлично да бъде толкова откровено идиотски – стана нещо обичайно едва през двадесети век. Имаше още дълго чакане… И Ломоносов разбра следната заблуда - за теглото на "калоричната материя". "". Уви, добре познатият Робърт Бойл е направил нещо нередно: когато металът е изпечен, върху него се образува котлен камък и теглото на пробата се увеличава - но поради веществото, добавено в резултат на окислителната реакция. "", Освен това, "". Но Ломоносов също така контролираше "".

В сравнение с тези опустошителни аргументи, цялата доктрина за калоричността беше детински бръмбар - дори чираците в химическите лаборатории разбираха това. Но академичните магистри не признаха правотата на Ломоносов - мъдро запазиха смъртоносно мълчание. „По случая няма какво да спорим“, смятат те. „Но не може всички да сме глупаци, а само той да е гений. Освен това тази мисъл натрапчиво хрумна на всички академични ръководители. Въпреки че академиците не постигнаха споразумение, външно това се прояви като световен заговор за сто долара. И всички те бяха най-честните и благородни хора. Колкото до подбора - един друг е по-честен и благороден. Честен карал на честен и карал благороден.

Вземете Ойлер, който се смяташе за приятел на Ломоносов. Когато Парижката академия на науките обяви конкурс за най-добра работа върху природата на топлината, тя спечели конкурса и получи наградата Ойлер, който написа в представената работа: "" (1752). Но този случай на Ойлер беше изключение. Останалите "честни и благородни" мълчаха и търпеливо очакваха смъртта на Ломоносов (1765). И едва след това, след като изчакаха още седем години, за да бъдат верни, те отново започнаха да се борят за калоричността. Разбирате ли, беше невъзможно да се признае, че Ломоносов е прав. Сега, ако беше направил някакво дребно нещо – например разобличи заблудите на същия Бойл и това е – тогава законът на Ломоносов щеше да е в учебниците сега, както и закона на Бойл-Мариот. И Ломоносов се увлече и изхвърли цялата наука от онова време. Съгласете се, не пишете в учебниците "първи закон на Ломоносов", "втори закон на Ломоносов" и т.н. - когато резултатът стигне до много десетки! Студентите ще се объркат! Ето защо свежи експериментални факти, които могат да бъдат интерпретирани в духа на калоричността, преминаха с гръм и трясък.

И има някои факти. В онези дни натуралистите имаха мода: да смесват такова и такова количество студена вода с такова и такова количество гореща вода - и да определят получената температура на сместа. Опитът потвърди формулата на Ричман: стойността на температурата е среднопретеглена - в конкретния случай, при равни количества студена и топла вода, това е средноаритметичната стойност. И така: химикът Блек, а след това и химикът Уилке, започнаха да проверяват формулата на Ричман за случая на смесване на гореща вода не със студена вода, а с лед - решавайки, че при точката на топене „този лед, тази вода е една глупост”. Резултатът излезе - днес може да се каже със сигурност - абсолютно умопомрачителен. Крайната температура на водата за случай на първоначално равно тегло на леда при 0^ОС и вода при 70^ОC се оказа далеч от средното аритметично - оказа се, че е равно на 0^ОS. Умопомрачителен? И тогава! Умовете бяха толкова мрачни, че ентусиазирано се отдадоха на концепцията за „латентната топлина на топящия се лед“. Според тази концепция, за да се стопи ледът, не е достатъчно да се нагрее до температурата на топене, което ще изисква известно количество калорично вещество да му бъде съобщено, в съответствие с неговия топлинен капацитет - той също ще бъде необходимо за изтласкване на допълнително огромно количество калорично вещество в леда, което ще отиде при самото топене. Вярно е, че по време на топенето температурата на леда не се променя и термометрите не реагират на тази допълнителна калоричност - затова топлината на топене се нарича "латентна". Всичко е обмислено! И най-важното, опитът потвърждава: къде, казват, водоснабдяването е на 70^ОC, ако не топя лед ?! Ето как намерихме числената стойност на неговата латентна топлина на синтез. Академиците плачеха от радост - затваряйки очи пред факта, че логиката на Блек и Уилк работи при необходимото предварително предположение: количеството топлина в природата се запазва. С това измамно предположение резултатите на Блек и Уилке наистина потвърждават наличието на калорично вещество. Всичко започна отначало. Усилията на Ломоносов обаче не бяха напразни: настоящата калоричност се приписваше на такова специфично свойство като липсата на тегло - в противен случай всъщност се оказа смешно. И те пуснаха вместо калорично вещество безтегловна калорична течност, за която избраха подходящо име: калорична. И те ставаха все по-красиви от преди.

Защо говорим за това толкова подробно? Защото е полезно да се знае как тази игра за латентните топлина на съвкупните трансформации се появи във физиката - което все още се смята за научна истина. Ще трябва да кажем няколко думи за “научната природа” на тази “истина”.

Представете си: вътрешното стъкло на калориметъра съдържа вода и лед - в топлинно равновесие един с друг и с буферно вещество. Незначително повишаване на температурата, до т.нар. точки ликвидус - и фазовото равновесие между лед и вода ще бъде нарушено: ледът ще започне да се топи. Откъде ще дойде топлината за това топене? От буферно вещество или какво? Но тогава температурата му ще падне и потокът от топлина "за топене" ще спре. Всъщност целият лед ще се стопи и температурата ще остане в точката на ликвидус. Скандал!

Може би днешните учени смятат този резултат за някакво досадно изключение, тъй като в други случаи, казват, краищата се срещат перфектно - например при изчисляване на топлинния баланс на звездата тау-Цети. Не, скъпи, тук няма да се измъкнете с "изключение". Според вас образуването на лед в открити водни тела също трябва да бъде придружено от термичен ефект - едва сега трябва да се отдели същата „топлина на синтез“. Вие, скъпи мои, си направихте труда да разберете - до какви резултати трябва да доведе това? Ледът расте отдолу, а топлопроводимостта на леда е два порядъка по-лоша от тази на водата. Следователно, практически цялата "топлина на синтез" трябва да бъде освободена във водата под леда. Ако заместим референтните стойности в най-простото уравнение на топлинния баланс за разглеждания случай, се оказва, че образуването на 1 мм слой лед би причинило нагряване на съседен 1 мм слой вода със 70 градуса (и 0,5 мм воден слой - цели 140 градуса, но вече при 100^ОЩе започне да кипи). Как ви харесва този резултат, скъпи? Може би ще кажете, че не сме взели предвид термичното смесване на водата напразно? Всъщност в диапазона от 0^О до 4^ОC, по-топлата вода потъва, а по-студената се издига. Какво а! Но дори и при условията на такова смесване, ако на повърхността на водата имаше източник на топлина, водата отгоре би била по-топла, отколкото отдолу. Всъщност типичният арктически температурен профил във вода под леда е следният: водата в контакт с леда има температура близка до точката на замръзване и с увеличаване на дълбочината (в рамките на определен слой) температурата се повишава. Това е очевидно доказателство: няма топлинен поток във водата от лед, дори от растящ лед. Океанолозите разбраха това отдавна, затова измислиха такъв глупак: "". Какво прави след това тази топлина, която се изчислява в регионален мащаб в трилиони килокалории - океанолозите вече не се интересуват; нека атмосферните инженери се справят с тази топлина по-нататък. Човек може да си помисли, че океанолозите не знаят, че топлопроводимостта на леда е два порядъка по-лоша от тази на водата. Накъде, чуди се, вървят отново и отново арктическите експедиции и какво правят там хидролозите заедно с метеоролозите - ледени скулптури ли изрязват, или какво?

И няма нужда да се плъзгате до Арктика, за да сте сигурни, че няма отделяне на топлина, когато водата замръзне. По телевизията MythBusters показаха силно възпроизводимо преживяване. Бутилка преохладена течна бира се изважда спретнато от хладилника. Бъркате над тази бутилка - и бирата в нея замръзва на ледени люспи за няколко секунди. И бутилката остава студена… Това преживяване има огромна популяризираща сила. Ключови думи: „топло, студено, бутилка, бира“- всичко е много разбираемо. Дори и за днешните академици.

Представете си колко е трудно за тези академици: тъй като няма „латентна топлина на синтез“, не само ще трябва да пренаписвате физика за седми клас, но и да се оправдавате – как някои средновековни химици Блек и Уилке са ги измамили. И как човек може да се оправдае, ако учените все още не разбират тайната на този трик? Добре, нека ви покажем. Тайната е, че ледът е при 0^О, след като се смеси с гореща вода, не повишава температурата си: топи се при постоянна температура. И докато се разтопи напълно, той е източник на охлаждане: водата в контакт с него, която отначало е била гореща, става топла, след това хладна, след това лед … с равни начални тегла на леда при 0^ОС и вода при 70^ОС, цялата получена вода ще бъде на 0^ОВ. Случаят, както виждате, е прост. Но не, те искат обяснение от нас - а откъде, казват, беше топлината, която имаше топлата вода? Приятели, този въпрос би бил уместен, ако законът за запазване на топлината би действал в природата. Но топлинната енергия не се запазва: тя се преобразува свободно в други форми на енергия. По-долу ще илюстрираме, че една затворена система е доста способна да променя температурата си - и дори по различни начини.

А що се отнася до такава съвкупна трансформация на материята като топенето, очевидно е, че тя не се нуждае от никаква „латентна топлина“. Загрейте пробата до нейната точка на топене - и я поддържайте, ако е необходимо - и пробата ще се стопи без чужда помощ. Тези, които са гледали филмовата епопея "Властелинът на пръстените", сигурно си спомнят последните секунди от Пръстена на всемогъществото. Попадна в устието на „огнедишащата планина“– и сега лежи там, лежи… нагрява, нагрява… и накрая – чоп! И вместо пръстен - вече разнасящи се капчици. Тази сцена беше много успешна за създателите на филма. Пълно усещане за реалност!

(Откъс с пръстен може да видите на линка:

Златото има добра топлопроводимост, а пръстенът беше мъничък, така че веднага се затопли изцяло. И веднага в целия обем се нагрява до точката на топене - веднага и се стопява, без излишни нужди от топлина. Между другото, очевидци на нагряването на метален скрап, например алуминий в индукционни пещи, свидетелстват: той не се топи постепенно, капка по капка - напротив, изпъкналите фрагменти започват да плуват и текат веднага в целия си обем. В случай на лед, липсата на ненужни нужди от топлина за топене не е очевидна, просто защото топлопроводимостта на леда е много по-лоша от тази на металите. Следователно ледът се топи постепенно, капка по капка. Но принципът е същият: това, което се нагрява до точката на топене - след това веднага се стопява.

О. Х. Деревенски

Прочетете изцяло