At indhente varmen

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

"I dag lærer børn de rigtige ideer om varme allerede i syvende klasse."

(Fra samlingen "Jokes of Great Scientists")

… Den kasakhiske steppe brændt af solen. Forskere fra en lille ekspeditionsgruppe, der tørrer sved, observerer saigaerne. Disse videnskabsmænd udfører ansvarlig videnskabelig forskning. De ønsker eksperimentelt at bekræfte ordene fra akademiker Timiryazev: "".

Vores videnskabsmænds metodologi er ingen steder enklere. De sporer, hvor meget græs dyrene spiser i deres naturlige miljø. Kalorieindholdet i dette foder – dvs. mængden af varme, der frigives, når den forbrændes i et kalorimeter, er allerede kendt af forskerne. Det er kun tilbage at sammenligne mængden af denne "potentielle energi" indeholdt i saigaens mad med det arbejde, dens muskler producerer i løbet af dens liv.

Men … jo længere tid forskerne observerede, jo mere melankolske blev de. Ser du, disse saigaer var på en eller anden måde forkerte. De spiste lidt - antallet af kalorier i deres rationer viste sig at være flere gange mindre end deres musklers energiforbrug. Fedtreserver havde intet med det at gøre - hvad er dine fedtreserver om sommeren? Det mest stødende var, at saigaerne væltede alle "videnskabeligt funderede normer": kalorieindholdet i deres mad var tydeligvis ikke nok for livet, og de så ret muntre ud … Her er en charmerende saiga, der blinker til videnskabsmændene, yndefuldt løfter halen og giver endnu et parti af afføring. "Har du set, hvad han laver? - en observatør kunne ikke modstå. - Håner os, drøvtyggende væsen! – “Rolig, kollega! - svarede den anden. - Tværtimod, siger hun til os: vi har ikke bragt eksperimentet til ende! Dette … høet gik gennem koen - det, tørret, brænder også! Lokalbefolkningen bruger det som brændstof!" - "Vil du sige, kollega, at dette … netop denne … også har et kalorieindhold?" - "Nemlig! Og vi vil måle det!"

Ikke før sagt end gjort. Kalorimeteret hyggede sig ikke, da de brændte lort i det – men for videnskabens skyld måtte jeg holde ud. Forskerne havde dog endnu mindre sjov, da de blev overbevist om, at kalorieindholdet i afføring er det samme som kalorieindholdet i det originale foder. Det viste sig, at på niveauet af Timiryazevs "potentielle energi indeholdt i organisk stof" forbruger dyret ikke kun meget mindre end det, der kræves til dets musklers arbejde, men frigiver også så meget som det forbruger. Det vil sige, at der absolut intet er tilbage for, at musklerne kan arbejde. Vores videnskabsmænd var godt klar over, at sådanne mærkelige konklusioner ikke var for deres rapporter. Derfor dryssede de aske på deres hår - den samme brændte afføring - og det var enden på det.

Og indtil videre er situationen med hensyn til "kalorieindholdet i mad" tømmermænd af en eller anden art. Hvis du spørger ernæringseksperter om, hvor mange kalorier om dagen skal indtages med mad for at "garanteret at tabe sig om to uger", vil de forklare dig alt i detaljer - desuden vil de tage det billigt og vil ikke blinke med øjet. Deres job er sådan her … Men vi spørger akademikerne: hvor kommer de kalorier, som saigas bruger til at gå, tygge og løfte deres hale fra? Og akademikere bryder sig ikke særlig meget om dette spørgsmål. Smertefuldt er han utilpas for dem. Det maksimale, du kan opnå fra dem, er en appel til det faktum, at levende organismer, siger de, er de mest komplekse højt organiserede systemer, og derfor, siger de, er de endnu ikke blevet tilstrækkeligt undersøgt. Så I, onkler, inden for rammerne af studiet af levende organismer, holder I mor omkring resultaterne af kalorimetriske målinger som dem, der er beskrevet ovenfor? Eller er du bange for, at du bliver nødt til at rødme, når børnene griner af dig? Nå, her er et gennemprøvet folkemiddel til dig: Gnid din rødbedenæse - hvis du rødmer, vil det ikke være så mærkbart.

Hvordan kom akademikere til dette liv? Okay, selvom animerede organismer er for svære for dem. Men i et livløst stof, som kun er underlagt fysiske og kemiske loves virkning - er det så, at spørgsmål med kalorier skal være fuldstændig gennemsigtige? Vi taler ikke om de fænomener, der findes i acceleratorer og kollidere. Det er fænomener, som enhver kan genskabe i deres eget køkken. Det ser ud til, at kolossale praktiske erfaringer burde have været støbt til helt klare ideer om varme. Men vi vil fortælle dig, hvordan denne oplevelse virkelig tog form.

Selv gamle filosoffer i spørgsmålet om varmens natur blev opdelt i to lejre. Nogle mente, at varme er et selvstændigt stof; jo mere det er i kroppen, jo varmere er det. Andre mente, at varme er en manifestation af en eller anden egenskab, der er iboende i materien: i en given tilstand af stof er kroppen koldere eller varmere. I middelalderen dominerede det første af disse begreber, hvilket er let at forklare. Begreberne om stoffets struktur på atom- og molekylært niveau var dengang fuldstændig uudviklede – og derfor var det et mysterium, at stoffets egenskab kunne være ansvarlig for varme. Filosoffer, i det overvældende flertal, gad ikke forsøge at finde denne mystiske egenskab - men, ledet af flokinstinktet, holdt de sig til det bekvemme begreb om varme som et "brændstofindhold".

Åh, hvor holdt de sig ihærdigt til det - til kramper i gribemusklerne. Forstå: Det brændende stof overføres så at sige fra varme til kolde kroppe, når de kommer i kontakt. Jo mere brændstof der er i kroppen, jo højere er kropstemperaturen. Hvad er temperatur? Og dette er kun et mål for indholdet af brændstof. Hvis brændstoffet overføres fra højre til venstre, så er temperaturen højere til højre. Og omvendt. Hvis brændstoffet ikke overføres hverken til højre eller venstre, så er temperaturerne til højre og venstre de samme. Lad begreberne "brændstofindhold" og "temperatur" vise sig at være forbundet med en logisk ond cirkel, men ellers var alt fantastisk. Det var endda muligt at drage praktiske konklusioner: For at opvarme en krop er det nødvendigt at tilføje brændstof til det - i sammenligning med det, det allerede har. Og for en sådan tilføjelse kræves en mere opvarmet krop, ellers overføres kalorieindholdet ikke. Skinne! På grundlag af disse ideer blev der lavet varmemotorer! Princippet om brændstofs uforgængelighed blev endda formuleret, dvs. faktisk loven om bevarelse af varme!

Selvfølgelig er det i dag let for os at tale om naiviteten i disse middelalderlige særheder. I dag ved vi, at varme er en af energiformerne, og loven om energibevarelse virker ikke for nogen af dens former. Denne lov virker for energi som helhed - under hensyntagen til, at nogle former for energi kan omdannes til andre. Men i den æra, hvor brændstof blev betragtet som en integreret del af universet, førte princippet om dets uforgængelighed, på grund af krav om det universelle omfang, filosoffer til ærefrygt. Til eksperimentel bekræftelse af dette princip - sandt, ikke på universel, men på lokal skala - blev disse kasser med dobbelt bund, kaldet kalorimetre, opfundet og taget i brug.

Det er forbløffende: I løbet af de videnskabelige og teknologiske fremskridt, fra mekaniske stopure, skiftede de først til kvarts og derefter til atomure, fra jordmålebånd skiftede de til laserafstandsmålere og derefter til GPS-modtagere - og kun kalorimetre vendte ude at være absolut uerstattelig med hensyn til direkte bestemmelse af termiske effekter. Indtil nu tjener kalorimetre deres brugere trofast: brugerne tror på dem og tror, at de med deres hjælp kender sandheden. Og i middelalderen blev de bedt for dem, beskyttet mod det onde øje og endda røget med røgelse – hvilket dog ikke hjalp meget. Se her: processen under undersøgelse forløb i et glas med varmeledende vægge, som var inde i et stort glas fyldt med et bufferstof. Hvis brændstoffet blev frigivet eller absorberet under den undersøgte proces, steg eller faldt henholdsvis bufferstoffets temperatur. Den målte værdi i begge tilfælde var bufferstoffets temperaturforskel før og efter den undersøgte proces - denne forskel blev bestemt ved hjælp af et termometer. Voila! Sandt nok blev en lille vanskelighed hurtigt opdaget. Målingerne blev gentaget med samme testproces, men med forskellige bufferstoffer. Og det viste sig, at den samme vægt af forskellige bufferstoffer, der optager den samme mængde brændstof, opvarmes med forskellige grader. Uden at tænke to gange introducerede mestrene i termiske anliggender i videnskaben en mere karakteristisk for stoffer - varmekapacitet. Dette er ganske enkelt: Varmekapaciteten er større for det stof, der indeholder mere brændstof, for alt andet lige at varme op med det samme antal grader. Vent vent! Så, for at bestemme den termiske effekt ved den kalorimetriske metode, kræves det på forhånd at kende bufferstoffets varmekapacitet! Hvordan ved du det? Varmemestrene gav uden at anstrenge sig også et svar på dette spørgsmål. De indså hurtigt, at deres kasser er enheder med to formål, der er velegnede til at måle ikke kun termiske effekter, men også varmekapaciteter. Når alt kommer til alt, hvis du måler temperaturforskellen på bufferstoffet og kender mængden af varmegenererende stof, der absorberes af det, så er den ønskede varmekapacitet på dit sølvfad! Og så skete det: termiske effekter blev målt ud fra viden om varmekapaciteter, og varmekapaciteter blev anerkendt ud fra målinger af termiske effekter. Og hvis nogen, ikke af ondskab, men udelukkende af nysgerrighed, spurgte: "Hvad målte du først - varme eller varmekapacitet?" - så blev han svaret i denne ånd: "Hør, smart fyr, hvad kom først - en kylling eller et æg?" - og den kloge fyr forstod, at han ikke skulle stille dumme spørgsmål.

Kort sagt: Hvis du ikke stiller dumme spørgsmål, så var alt fint i den kalorimetriske metode, med undtagelse af en nuance. Helt fra begyndelsen var denne metode baseret på det centrale postulat, at brændstof kun er i stand til at flyde fra mere opvarmede kroppe til mindre opvarmede. Så havde ingen tænkt på en simpel ting: Hvis dette nøglepostulat er korrekt, så vil temperaturerne i alle kroppe med tiden udlignes - og, som man siger, amen. Men hvis nogen havde tænkt på det, ville de med rimelighed have indvendt mod ham, at Guds plan ikke kunne rumme en sådan dumhed - og på dette ville alle være faldet til ro.

Kort sagt er begrebet brændstof i videnskaben behageligt opvarmet. Derfor passede vores Lomonosov med sin rustikke enkelthed ikke ind i denne idyl. Han holdt sig jo ikke til visse begreber, han undersøgte dem – og tilbød mere fyldestgørende til gengæld. I "Refleksioner over årsagen til varme og kulde" (1744) formulerede Lomonosov klart årsagen til varme - som er "" af kropspartikler. Forresten lavede han straks en fænomenal konklusion: "". I dag bruges et mere videnskabeligt udtryk - "absolut nultemperatur", men navnet på Lomonosov er ikke nævnt. Han havde trods alt den forsigtighed at ødelægge begrebet brændstof! Så han skrev, at filosofferne ikke viste - "". "" Hvis filosofferne så havde brugt kvantemekanikkens metoder, ville de være kommet frem til en form for "reduktion af den termiske funktion". Selvom det på trods af al "middelalderlig obskurantisme" blev anset for uanstændigt at være så ærligt idiotisk - blev det først almindeligt i det tyvende århundrede. Der var stadig en lang ventetid … Og Lomonosov ordnede følgende vrangforestilling - om vægten af "brændstofindhold". "". Ak, den velkendte Robert Boyle har gjort noget forkert: Når metallet ristes, dannes der kalk på det, og prøvens vægt stiger - men på grund af stoffet, der er tilsat som følge af den oxidative reaktion. "", I øvrigt, "". Men Lomonosov kontrollerede også "".

Sammenlignet med disse ødelæggende argumenter var hele doktrinen om brændstofindhold barnlig pludren - selv lærlinge i kemiske laboratorier forstod dette. Men de akademiske mestre anerkendte ikke Lomonosovs retfærdighed - de holdt klogt i dødens tavshed. "Med hensyn til sagen har vi ikke noget at argumentere for," regnede de med. "Men det kan ikke være, at vi alle er tåber, og han alene er et geni." Desuden kom denne tanke besat til alle akademiske hoveder. Selvom akademikerne ikke nåede til enighed, manifesterede det sig udadtil som en verdenskonspiration på hundrede dollar. Og de var alle de mest ærlige og ædle mennesker. Hvad angår udvælgelse - hinanden er mere ærlige og ædle. En ærlig kørte på en ærlig og kørte en ædel.

Tag Euler, som blev betragtet som en ven af Lomonosov. Da videnskabsakademiet i Paris udskrev en konkurrence om det bedste værk om varmens natur, vandt det konkurrencen og modtog Euler-prisen, som skrev i det fremlagte værk: "" (1752). Men denne Euler-sag var en undtagelse. Resten af de "ærlige og ædle" tav og ventede tålmodigt på Lomonosovs død (1765). Og først derefter, efter at have ventet yderligere syv år på at være trofaste, startede de igen deres løbehjul om brændstof. Ser du, det var umuligt at indrømme, at Lomonosov havde ret. Hvis han nu havde gjort en lille ting - for eksempel afsløret den samme Boyles vrangforestillinger, og det var det - så ville Lomonosovs lov være i lærebøger nu, ligesom Boyle-Mariotte-loven. Og Lomonosov lod sig rive med og skovlede al datidens videnskab. Enig, skriv ikke i lærebøger "Lomonosovs første lov", "Lomonosovs anden lov" osv. - når scoren går til mange tiere! Studerende vil blive forvirrede! Derfor gik friske eksperimentelle fakta, som kunne fortolkes i brændstofstoffets ånd, forbi med et brag.

Og der er nogle fakta. I de dage havde naturforskere en mode: at blande sådan og sådan mængde koldt vand med sådan og sådan mængde varmt vand - og bestemme den resulterende temperatur af blandingen. Erfaring bekræftede Richmans formel: temperaturværdien var et vægtet gennemsnit - i det særlige tilfælde, med lige store mængder koldt og varmt vand, var det det aritmetiske gennemsnit. Og så: kemikeren Black, og så også kemikeren Wilke, begyndte at tjekke Richmann-formlen for tilfældet med at blande varmt vand ikke med koldt vand, men med is - og besluttede, at ved smeltepunktet, "den is, det vand er et lort”. Resultatet kom - i dag kan det siges med sikkerhed - absolut åndssvagt. Den endelige vandtemperatur i tilfælde af indledende lige store isvægte ved 0^OC og vand ved 70°C^OC viste sig at være langt fra det aritmetiske middelværdi - det viste sig at være lig med 0^OS. Mind-blowing? Og så! Sindene var så mørke, at de begejstret gav sig til begrebet "den latente varme fra smeltende is." Ifølge dette koncept er det for at smelte isen ikke nok at opvarme den til smeltetemperaturen, hvilket vil kræve, at en vis mængde brændstof bliver kommunikeret til den, i overensstemmelse med dens varmekapacitet - det vil også være nødvendigt at drive en ekstra enorm mængde brændstof ind i isen, som vil gå til selve smeltningen. Sandt nok ændres isens temperatur ikke under smeltning, og termometre reagerer ikke på dette ekstra brændstof - det er derfor, at smeltevarmen kaldes "latent". Alt er gennemtænkt! Og vigtigst af alt, erfaring bekræfter: hvor, siger de, vandvarmeforsyningen går på 70^OC, hvis ikke smeltende is?! Sådan fandt vi den numeriske værdi af dens latente fusionsvarme. Akademikere græd af glæde - og lukkede øjnene for, at Black og Wilkes logik fungerer under den uundværlige foreløbige antagelse: mængden af varme i naturen bevares. Med denne vrangforestillinger bekræftede Black og Wilkes resultater faktisk tilstedeværelsen af brændstof. Alt startede forfra. Lomonosovs indsats var imidlertid ikke forgæves: det nuværende kalorieindhold blev tilskrevet en så specifik egenskab som fraværet af vægt - ellers viste det sig faktisk sjovt. Og de frigav, i stedet for brændstof, en vægtløs brændstofvæske, som de valgte et passende navn til: kalorieindhold. Og de blev smukkere og smukkere end før.

Hvorfor taler vi så detaljeret om dette? Fordi det er nyttigt at vide, hvordan dette spil om de latente hede af aggregerede transformationer dukkede op i fysikken - hvilket stadig betragtes som en videnskabelig sandhed. Vi bliver nødt til at sige et par ord om den "videnskabelige natur" af denne "sandhed".

Forestil dig: Kalorimeterets indre glas indeholder vand og is - i termisk ligevægt med hinanden og med et bufferstof. En ubetydelig temperaturstigning, op til den såkaldte. likviduspunkter - og faseligevægten mellem is og vand vil blive krænket: isen begynder at smelte. Hvor vil varmen til denne smeltning komme fra? Fra et bufferstof, eller hvad? Men så vil dens temperatur falde, og varmestrømmen "til smeltning" stopper. Faktisk vil al isen smelte, og temperaturen vil forblive på likviduspunktet. Skandale!

Måske betragter nutidens akademikere dette resultat for at være en slags irriterende undtagelse, da enderne i andre tilfælde, siger de, mødes perfekt - for eksempel når man beregner den termiske balance for tau-Ceti-stjernen. Nej kære, I kommer ikke afsted med en "undtagelse" her. Efter din mening bør dannelsen af is i åbne vandområder også ledsages af en termisk effekt - kun nu bør den samme "fusionsvarme" frigives. I, mine kære, har gjort jer den ulejlighed at finde ud af – hvilke resultater skal dette føre til? Is vokser nedefra, og isens varmeledningsevne er to størrelsesordener dårligere end vands. Derfor bør praktisk talt al "fusionsvarme" frigives til vandet under isen. Hvis vi erstatter referenceværdierne i den enkleste varmebalanceligning for det pågældende tilfælde, viser det sig, at dannelsen af et 1 mm lag is ville forårsage opvarmning af et tilstødende 1 mm lag vand med 70 grader (og en 0,5 mm vandlag - hele 140 grader, dog allerede ved 100 grader^ODet ville begynde at koge). Hvordan kan I lide dette resultat, kære? Måske vil du sige, at vi ikke har taget hensyn til den termiske blanding af vand forgæves? Faktisk i intervallet fra 0^O op til 4^OC, varmere vand synker, og koldere vand stiger. Sikke en! Men selv under betingelserne for en sådan blanding, hvis der var en varmekilde på overfladen af vandet, ville vandet ovenover være varmere end under. Faktisk er den typiske arktiske temperaturprofil i vand under isen som følger: vand i kontakt med is har en temperatur tæt på frysepunktet, og når dybden øges (inden for et bestemt lag), stiger temperaturen. Dette er indlysende beviser: der er ingen varmestrøm ind i vandet fra is, selv fra voksende is. Oceanologer indså dette for længe siden, så de opfandt sådan et fjols: "". Hvad denne varme gør derefter, som er beregnet på regional skala i billioner af kilokalorier - oceanologer er ikke længere ligeglade; lad de atmosfæriske ingeniører beskæftige sig med denne varme yderligere. Man kunne tro, at oceanologer ikke ved, at isens varmeledningsevne er to størrelsesordener værre end vands. Hvor, kan man spørge sig selv, er de arktiske ekspeditioner på vej hen igen og igen, og hvad laver hydrologerne der sammen med meteorologerne – skærer de isskulpturer ud, eller hvad?

Og der er ingen grund til at traske til Arktis for at sikre, at der ikke kommer varmeafgivelse, når vandet fryser. På tv viste MythBusters en yderst reproducerbar oplevelse. En flaske superafkølet flydende øl tages pænt ud af køleskabet. Du stikker over denne flaske – og øllet i den fryser til isflager på få sekunder. Og flasken forbliver kold … Denne oplevelse har en enorm populariserende kraft. Nøgleord: "varm, kold, flaske, øl" - alt er meget forståeligt. Selv for nutidens akademikere.

Forestil dig, hvor svært det er for disse akademikere: Da der ikke er nogen "latent fusionsvarme", bliver du ikke kun nødt til at omskrive fysik til syvende klasse, men også komme med undskyldninger - hvordan nogle middelalderkemikere Black og Wilke har narret dem. Og hvordan kan man retfærdiggøre sig selv, hvis akademikere stadig ikke forstår hemmeligheden bag det trick? Okay, lad os vise dig det. Hemmeligheden er, at is ved 0^O, efter at have blandet det med varmt vand, hæver det ikke sin temperatur: det smelter ved en konstant temperatur. Og indtil det smelter fuldstændigt, er det en kilde til afkøling: vandet i kontakt med det, som først var varmt, bliver varmt, derefter køligt, derefter is … med lige startvægte af is ved 0^OC og vand ved 70°C^OС, alt det resulterende vand vil være på 0^OC. Sagen er, som du kan se, enkel. Men nej, de forlanger en forklaring af os - men hvor, siger de, blev den varme, som det varme vand havde? Venner, dette spørgsmål ville være relevant, hvis loven om bevarelse af varme ville fungere i naturen. Men termisk energi bevares ikke: den omdannes frit til andre former for energi. Nedenfor vil vi illustrere, at et lukket system er ganske i stand til at ændre sin temperatur - og endda på forskellige måder.

Og hvad angår en sådan samlet omdannelse af stof som smeltning, er det indlysende, at det ikke behøver nogen "latent varme". Opvarm prøven til dens smeltepunkt - og bibehold den om nødvendigt - og prøven vil smelte uden hjælp. De, der så filmeposen "Ringenes Herre", husker sikkert de sidste sekunder af Ringen af Almagt. Den faldt ind i mundingen af det "ildpustende bjerg" - og nu ligger den der, ligger … varmer, varmer … og endelig - en chomp! Og i stedet for en ring - spredes allerede dråber. Denne scene var meget vellykket for filmskaberne. Fuld følelse af virkelighed!

(Et uddrag med en ring kan ses på linket:

Guld har god varmeledningsevne, og ringen var lillebitte, så den varmede op i sin helhed på én gang. Og straks i hele volumen blev det opvarmet til smeltepunktet - straks og smeltet uden unødvendige varmekrav. Forresten vidner øjenvidner til opvarmning af skrot, for eksempel aluminium i induktionsovne: det smelter ikke gradvist, dråbe for dråbe - tværtimod begynder udragende fragmenter at flyde og flyde med det samme gennem hele deres volumen. I tilfælde af is er fraværet af unødvendige varmekrav til smeltning ikke indlysende, blot fordi isens varmeledningsevne er meget dårligere end metallers. Derfor smelter isen gradvist, dråbe for dråbe. Men princippet er det samme: hvad der opvarmes til smeltepunktet - derefter straks smeltet.

O. Kh. Derevensky

Læs helt