Posar-se al dia amb la calor

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

"Avui els nens aprenen les idees correctes sobre la calor ja al setè grau".

(De la col·lecció "Acudits de grans científics")

… L'estepa kazakh cremada pel Sol. Científics d'un petit grup expedicionari, eixugant la suor, observen les saigas. Aquests científics duen a terme una investigació científica responsable. Volen confirmar experimentalment les paraules de l'acadèmic Timiryazev: "".

La metodologia dels nostres científics no és més senzilla enlloc. Fan un seguiment de la quantitat d'herba que mengen els animals al seu entorn natural. El contingut calòric d'aquest pinso, és a dir. la quantitat de calor que s'allibera quan es crema en un calorímetre ja és coneguda pels científics. Només queda comparar la quantitat d'aquesta "energia potencial" continguda en l'alimentació de la saiga amb el treball que produeixen els seus músculs durant la seva vida.

Però… com més temps observaven els científics, més malenconias es tornaven. Ja veus, aquests saigas estaven d'alguna manera equivocats. Menjaven una mica: el nombre de calories de les seves racions va resultar ser diverses vegades menor que el consum d'energia dels seus músculs. Les reserves de greix no hi tenen res a veure: quines són les teves reserves de greix a l'estiu? El més ofensiu va ser que les saigas van anul·lar totes les "normes basades científicament": el contingut calòric del seu menjar no era clarament suficient per a la vida, i semblaven bastant alegres … Aquí hi ha una saiga encantadora, fent l'ullet als científics, amb gràcia. aixecant la cua i repartint un altre lot de caca. “Has vist què està fent? - un observador no es va poder resistir. - Es burla de nosaltres, criatura remugant! - “Tranquil·la, company! - va respondre el segon. - Al contrari, ens diu: no hem portat l'experiment al final! Això… el fenc va passar per la vaca, que, assecat, també es crema! Els habitants l'utilitzen com a combustible!" - "Vols dir, company, que això… això mateix… també té un contingut calòric?" - "Exacte! I ho mesurarem!"

No més aviat dir que fet. El calorímetre no es va divertir quan hi van cremar caca, però pel bé de la ciència vaig haver de suportar. Tanmateix, els investigadors es van divertir encara menys quan es van convèncer que el contingut calòric de la caca és el mateix que el contingut calòric de l'alimentació original. Va resultar que a nivell de "l'energia potencial continguda a la matèria orgànica" de Timiryazev, l'animal no només consumeix molt menys del que es requereix per al treball dels seus músculs, sinó que també allibera tant com consumeix. És a dir, no queda absolutament res perquè els músculs funcionin. Els nostres científics eren molt conscients que aquestes conclusions curioses no eren per als seus informes. Per tant, es van ruixar cendres als cabells -aquelles mateixes caques cremades- i això va ser el final.

I fins ara, la situació pel que fa al "contingut calòric dels aliments" és una mena de ressaca. Si pregunteu als nutricionistes sobre quantes calories al dia s'han de consumir amb els aliments per "garantir la pèrdua de pes en dues setmanes", us explicaran tot amb detall; a més, ho prendran de manera econòmica i no obriran un ull.. La seva feina és així… Però preguntem als acadèmics: d'on provenen les calories que fan servir les saïgues per caminar, mastegar i aixecar la cua? I als acadèmics no els agrada gaire aquesta pregunta. Dolorsament, se sent incòmode per a ells. El màxim que es pot aconseguir d'ells és una crida al fet que els organismes vius, diuen, són els sistemes molt organitzats més complexos i, per tant, diuen, encara no han estat prou estudiats. Així doncs, vostès, oncles, en el marc de l'estudi dels organismes vius, no us demanen els resultats de mesures calorimètriques com les descrites anteriorment? O tens por que t'hauràs de ruboritzar quan els nens es riguin de tu? Bé, aquí teniu un remei popular provat per a vosaltres: fregueu-vos el musell de la remolatxa; si us enrogis, no es notarà tant.

Com van arribar els acadèmics a aquesta vida? D'acord, encara que els organismes animats siguin massa difícils per a ells. Però en una substància inanimada, que només està subjecta a l'acció de lleis físiques i químiques, és llavors quan les preguntes sobre calories haurien de ser completament transparents? No estem parlant dels fenòmens que es troben en acceleradors i col·lisionadors. Són fenòmens que qualsevol pot reproduir a la seva pròpia cuina. Sembla que l'experiència pràctica colossal s'hauria d'haver modelat en idees completament clares sobre la calidesa. Però us explicarem com realment va prendre forma aquesta experiència.

Fins i tot els filòsofs antics en la qüestió de la naturalesa de la calor es van dividir en dos camps. Alguns creien que la calor és una substància independent; com més hi ha al cos, més càlid és. Altres creien que la calor és una manifestació d'alguna propietat inherent a la matèria: en un estat determinat de la matèria, el cos és més fred o més càlid. A l'edat mitjana dominava el primer d'aquests conceptes, que és fàcil d'explicar. Aleshores, els conceptes de l'estructura de la matèria a nivell atòmic i molecular estaven completament poc desenvolupats i, per tant, era un misteri aquella propietat de la matèria que podria ser responsable de la calor. Els filòsofs, en la seva aclaparadora majoria, no es van molestar en intentar trobar aquesta misteriosa propietat, sinó que, dirigits per l'instint del ramat, es van adherir al concepte convenient de calor com a "matèria calorífica".

Oh, amb quina tenacitat s'hi van adherir - als rampes als músculs d'agafar. Comprèn: la matèria calorífica, per dir-ho, es transfereix dels cossos calents als freds quan entren en contacte. Com més matèria calòrica hi ha al cos, més alta és la temperatura corporal. Què és la temperatura? I això és només una mesura del contingut de matèria calorífica. Si la matèria calorífica es transfereix de dreta a esquerra, la temperatura és més alta a la dreta. I viceversa. Si la matèria calorífica no es transfereix ni cap a la dreta ni cap a l'esquerra, les temperatures a la dreta i a l'esquerra són les mateixes. Que els conceptes de "matèria calorífica" i "temperatura" resultin estar connectats per un cercle viciós lògic, però en cas contrari tot era sorprenent. Fins i tot es va poder treure conclusions pràctiques: per escalfar un cos, cal afegir-hi matèria calorífica, en comparació amb el que ja té. I per a aquesta addició, cal un cos més escalfat, en cas contrari, la matèria calorífica no es transferirà. Brilla! Sobre la base d'aquestes idees, es van fer motors tèrmics que funcionen! Fins i tot es va formular el principi de la indestructibilitat de la matèria calorífica, és a dir, de fet, la llei de conservació de la calor!

Això sí, avui ens és fàcil parlar de la ingenuïtat d'aquestes peculiaritats medievals. Avui sabem que la calor és una de les formes d'energia, i la llei de conservació de l'energia no funciona per a cap de les seves formes. Aquesta llei funciona per a l'energia en conjunt, tenint en compte el fet que algunes formes d'energia es poden convertir en altres. Però en aquella època en què la matèria calorífica es considerava una part integral de l'Univers, el principi de la seva indestructibilitat, a causa de les pretensions de l'abast universal, va portar els filòsofs a admirar. Per a la confirmació experimental d'aquest principi, cert, no a escala universal, sinó a escala local, es van inventar i posar en ús aquestes caixes amb doble fons, anomenades calorímetres.

És increïble: en el transcurs del progrés científic i tecnològic, dels cronòmetres mecànics, primer van passar al quars, i després als rellotges atòmics, de les cintes de mesura de la terra van passar als telèmetres làser i després als receptors GPS, i només els calorímetres van girar. resulta absolutament insubstituïble en matèria d'efectes tèrmics de determinació directa. Fins ara, els calorímetres serveixen fidelment als seus usuaris: els usuaris creuen en ells i pensen que amb la seva ajuda saben la veritat. I a l'Edat Mitjana se'ls resava, es protegien del mal d'ull i fins i tot es fumigaven amb encens -que, però, no ajudava gaire-. Aquí, mireu: el procés en estudi es va desenvolupar en un got amb parets conductores de calor, que es trobava dins d'un gran got ple d'una substància amortidor. Si durant el procés objecte d'estudi, la matèria calorífica s'alliberava o s'absorbia, la temperatura de la substància tampó, respectivament, augmentava o disminuïa. El valor mesurat en ambdós casos va ser la diferència de temperatura de la substància tampó abans i després del procés en estudi; aquesta diferència es va determinar mitjançant un termòmetre. Voila! És cert que ràpidament es va descobrir una lleugera dificultat. Les mesures es van repetir amb el mateix procés de prova, però amb diferents substàncies tampó. I va resultar que els mateixos pesos de diferents substàncies amortidores, que adquireixen la mateixa quantitat de matèria calorífica, s'escalfen en diferents graus. Sense pensar-s'ho dues vegades, els mestres dels afers tèrmics van introduir a la ciència una característica més de les substàncies: la capacitat calorífica. Això és ben senzill: la capacitat calorífica és més gran per a la substància que conté més matèria calorífica per escalfar el mateix nombre de graus, en igualtat de condicions. Espera espera! Aleshores, per determinar l'efecte tèrmic pel mètode calorimètric, cal conèixer per endavant la capacitat calorífica de la substància amortidor! Com ho saps? Els mestres de calor, sense esforçar-se, també van donar una resposta a aquesta pregunta. Ràpidament es van adonar que les seves caixes són dispositius de doble propòsit adequats per mesurar no només efectes tèrmics, sinó també capacitats de calor. Al cap i a la fi, si mesureu la diferència de temperatura de la substància amortidor i coneixeu la quantitat de matèria que genera calor absorbida per ella, aleshores la capacitat de calor desitjada es troba al vostre plat de plata! I així va passar: els efectes tèrmics es van mesurar a partir del coneixement de les capacitats calorífiques, i les capacitats calorífices es van reconèixer a partir de mesures d'efectes tèrmics. I si algú, no per malícia, sinó per pura curiositat, preguntava: "Què vas mesurar primer: calor o capacitat calorífica?" - després li va respondre amb aquest esperit: "Escolta, noi intel·ligent, què va ser primer: una gallina o un ou?" - i el savi va entendre que no havia de fer preguntes estúpides.

En resum: si no feu preguntes estúpides, tot va bé en el mètode calorimètric, amb l'excepció d'un matís. Des del principi, aquest mètode es va basar en el postulat clau que la matèria calorífica només és capaç de fluir des dels cossos més escalfats cap als menys escalfats. Aleshores ningú havia pensat en una cosa senzilla: si aquest postulat clau és correcte, amb el temps les temperatures de tots els cossos s'aniran igualant -i, com diuen, amén. Tanmateix, si algú s'hi hagués pensat, raonablement li hauria oposat que el pla de Déu no podia contenir tanta estupidesa, i amb això tothom s'hauria calmat.

En una paraula, el concepte de matèria calorífica a la ciència s'escalfa còmodament. Per tant, el nostre Lomonosov, amb la seva senzillesa rústica, no encaixava en aquest idil·li. Al cap i a la fi, no es va adherir a determinats conceptes, els va investigar -i en va oferir a canvi altres de més adequats. A "Reflexions sobre la causa de la calor i el fred" (1744) Lomonosov va formular clarament la causa de la calor, que és "" de les partícules corporals. Per cert, de seguida va fer una conclusió fenomenal: "". Avui s'utilitza un terme més altament científic: "temperatura zero absoluta", però no s'esmenta el nom de Lomonosov. Després de tot, va tenir la imprudència de destruir el concepte de matèria calorífica! Per tant, va escriure que els filòsofs no van mostrar - "". "" Si els filòsofs haguessin utilitzat llavors els mètodes de la mecànica quàntica, haurien produït algun tipus de "reducció de la funció tèrmica". Tot i que, malgrat tot l'"obscurantisme medieval", es considerava indecent per ser tan francament idiota: només al segle XX es va fer habitual. Encara hi va haver una llarga espera … I Lomonosov va resoldre el següent engany: sobre el pes de la "matèria calorífica". "". Per desgràcia, el conegut Robert Boyle ha fet alguna cosa malament: quan es torre el metall, s'hi forma escala i el pes de la mostra augmenta, però a causa de la substància afegida com a resultat de la reacció oxidativa. "", A més, "". Però Lomonosov també va controlar "".

En comparació amb aquests arguments devastadors, tota la doctrina de la matèria calorífica era un balbuceig infantil, fins i tot els aprenents dels laboratoris químics ho van entendre. Però els mestres acadèmics no van reconèixer la raó de Lomonosov: van mantenir sàviament un silenci de mort. "En aquest cas, no tenim res a discutir", van pensar. "Però no pot ser que tots siguem ximples, i només ell és un geni". A més, aquest pensament va arribar de manera obsessiva a tots els responsables acadèmics. Tot i que els acadèmics no van arribar a un acord, exteriorment es va manifestar com una conspiració mundial de cent dòlars. I tots eren les persones més honestes i nobles. Pel que fa a la selecció, els uns són més honestos i nobles. Un honest conduïa un de honest i conduïa un de noble.

Preneu Euler, que era considerat amic de Lomonosov. Quan l'Acadèmia de Ciències de París va anunciar un concurs pel millor treball sobre la naturalesa de la calor, va guanyar el concurs i va rebre el premi Euler, que va escriure en l'obra presentada: "" (1752). Però aquest cas Euler va ser una excepció. La resta dels "honests i nobles" van callar i van esperar pacientment la mort de Lomonosov (1765). I només després d'això, després d'haver esperat set anys més per ser fidels, van tornar a començar la seva zanfona sobre la matèria calorífica. Ja veieu, era impossible admetre que Lomonosov tingués raó. Ara bé, si hagués fet alguna cosa petita -per exemple, exposar els deliris del mateix Boyle, i ja està-, aleshores la llei de Lomonosov estaria ara als llibres de text, com la llei de Boyle-Mariotte. I Lomonosov es va deixar portar i va treure tota la ciència d'aquella època. D'acord, no escriviu als llibres de text "la primera llei de Lomonosov", "la segona llei de Lomonosov", etc. - quan la puntuació arriba a moltes desenes! Els alumnes es confondran! És per això que els fets experimentals nous, que podrien interpretar-se en l'esperit de la matèria calorífica, van passar de cop.

I hi ha alguns fets. En aquells temps, els naturalistes tenien una moda: barrejar tal o tal quantitat d'aigua freda amb tal o tal quantitat d'aigua calenta i determinar la temperatura resultant de la mescla. L'experiència va confirmar la fórmula de Richman: el valor de la temperatura era una mitjana ponderada; en el cas particular, amb quantitats iguals d'aigua freda i calenta, era la mitjana aritmètica. I així: el químic Black, i després també el químic Wilke, van començar a comprovar la fórmula de Richmann per al cas de barrejar aigua calenta no amb aigua freda, sinó amb gel, decidint que, en el punt de fusió, “aquell gel, aquella aigua. és una merda”. El resultat va sortir -avui es pot dir segur- absolutament al·lucinant. La temperatura final de l'aigua per al cas de pesos inicials de gel iguals a 0^OC i aigua a 70^OC va resultar estar lluny de la mitjana aritmètica: va resultar ser igual a 0^OS. Al·lucinant? I llavors! Les ments eren tan fosques que es van lliurar amb entusiasme al concepte de "la calor latent del gel que es fon". Segons aquest concepte, per fondre el gel, no n'hi ha prou d'escalfar-lo a la temperatura de fusió, la qual cosa requerirà que se li comuniqui una certa quantitat de matèria calorífica, d'acord amb la seva capacitat calorífica, també serà necessari per impulsar una gran quantitat addicional de matèria calorífica al gel, que anirà a la fusió. És cert que durant la fusió, la temperatura del gel no canvia i els termòmetres no reaccionen a aquesta matèria calorífica addicional, per això la calor de fusió s'anomena "latent". Tot pensat! I, sobretot, l'experiència ho confirma: on, diuen, el subministrament de calor de l'aigua arriba als 70^OC, si no es fon el gel?! Així és com hem trobat el valor numèric de la seva calor latent de fusió. Els acadèmics ploraven d'alegria, tancant els ulls davant el fet que la lògica de Black i Wilke funciona sota l'indispensable supòsit preliminar: la quantitat de calor a la natura es conserva. Amb aquesta suposició delirant, els resultats de Black i Wilke van confirmar efectivament la presència de matèria calorífica. Tot va començar de nou. Tanmateix, els esforços de Lomonosov no van ser en va: la matèria calorífica actual es va atribuir a una propietat tan específica com l'absència de pes; en cas contrari, de fet, va resultar divertit. I van alliberar, en comptes de matèria calorífica, un fluid calorífic sense pes, per al qual van triar un nom encertat: calòric. I es feien cada cop més bonics que abans.

Per què parlem d'això amb tant de detall? Perquè és útil saber com va aparèixer a la física aquest joc sobre les calors latents de les transformacions agregades, que encara es considera una veritat científica. Haurem de dir unes paraules sobre el “caràcter científic” d'aquesta “veritat”.

Imagineu-vos: el got interior del calorímetre conté aigua i gel, en equilibri tèrmic entre ells i amb una substància amortidor. Un augment insignificant de la temperatura, fins a l'anomenat. punts liquidus - i es trencarà l'equilibri de fase entre el gel i l'aigua: el gel començarà a fondre's. D'on vindrà la calor d'aquesta fusió? D'una substància amortidor, o què? Però aleshores la seva temperatura baixarà i el flux de calor "per fondre" s'aturarà. De fet, tot el gel es fon, i la temperatura es mantindrà en el punt liquidus. Escàndol!

Potser els acadèmics actuals consideren aquest resultat com una mena d'excepció molesta, ja que en altres casos, diuen, els extrems es troben perfectament -per exemple, quan es calcula el balanç tèrmic de l'estrella tau-Ceti. No, estimats, aquí no us sortireu amb una "excepció". Segons la vostra opinió, la formació de gel en cossos d'aigua oberta també hauria d'anar acompanyada d'un efecte tèrmic; només que ara s'hauria d'alliberar la mateixa "calor de fusió". Vosaltres, estimats, us heu pres la molèstia d'esbrinar: quins resultats hauria de portar això? El gel creix des de baix i la conductivitat tèrmica del gel és dos ordres de magnitud pitjor que la de l'aigua. Per tant, pràcticament tota la "calor de fusió" hauria de ser alliberada a l'aigua sota el gel. Si substituïm els valors de referència per l'equació de balanç de calor més senzilla per al cas considerat, resulta que la formació d'una capa de gel d'1 mm provocaria un escalfament de 70 graus d'una capa d'aigua adjacent d'1 mm (i un Capa d'aigua de 0,5 mm - fins a 140 graus; tanmateix, ja a 100^OComençaria a bullir). Com us sembla aquest resultat, estimats? Potser diràs que no hem tingut en compte la mescla tèrmica de l'aigua en va? De fet, en el rang de 0^O fins a 4^OC, l'aigua més calenta s'enfonsa i l'aigua més freda puja. quina! Però, fins i tot en les condicions d'aquesta barreja, si hi hagués una font de calor a la superfície de l'aigua, l'aigua de dalt seria més càlida que de sota. De fet, el perfil de temperatura típic de l'Àrtic a l'aigua sota el gel és el següent: l'aigua en contacte amb el gel té una temperatura propera al punt de congelació, i a mesura que augmenta la profunditat (dins d'una determinada capa), la temperatura augmenta. Aquesta és una evidència òbvia: no hi ha flux de calor a l'aigua provinent del gel, fins i tot del gel creixent. Els oceanòlegs es van adonar d'això fa temps, així que van inventar un ximple: "". Què fa a continuació aquesta calor, que es calcula, a escala regional, en bilions de quilocalories: als oceanòlegs ja no els importa; deixeu que els enginyers atmosfèrics s'ocupin encara més d'aquesta calor. Es podria pensar que els oceanòlegs no saben que la conductivitat tèrmica del gel és dos ordres de magnitud pitjor que la de l'aigua. Cap a on es dirigeixen, una vegada i una altra, les expedicions àrtiques, i què hi fan els hidròlegs juntament amb els meteoròlegs: estan tallant escultures de gel, o què?

I no cal anar penós cap a l'Àrtic per assegurar-se que no hi ha cap alliberament de calor quan l'aigua es congela. A la televisió, MythBusters va mostrar una experiència altament reproduïble. Una ampolla de cervesa líquida súper refrigerada es treu de la nevera. Passeu aquesta ampolla i la cervesa que hi ha es congela en flocs de gel en pocs segons. I l'ampolla es manté freda… Aquesta experiència té un enorme poder popularitzador. Paraules clau: "calent, fred, ampolla, cervesa" - tot és molt intel·ligible. Fins i tot per als acadèmics actuals.

Imagineu-vos el difícil que és per a aquests acadèmics: com que no hi ha "calor latent de fusió", no només haureu de reescriure la física per al setè grau, sinó que també haureu de buscar excuses, com els han enganyat alguns químics medievals Black i Wilke. I com es pot justificar si els acadèmics encara no entenen el secret d'aquest truc? D'acord, t'ho mostrem. El secret és que el gel a 0^O, després de barrejar-lo amb aigua calenta, no puja la seva temperatura: es fon a temperatura constant. I fins que es fon completament, és una font de refredament: l'aigua en contacte, que al principi estava calenta, es torna calenta, després es refreda, després gel… amb iguals pesos inicials de gel a 0.^OC i aigua a 70^OС, tota l'aigua resultant estarà a 0^OC. El cas, com podeu veure, és senzill. Però no, ens demanen una explicació, però d'on, diuen, la calor que tenia l'aigua calenta? Amics, aquesta pregunta seria pertinent si la llei de conservació de la calor funcionés a la natura. Però l'energia tèrmica no es conserva: es converteix lliurement en altres formes d'energia. A continuació il·lustrarem que un sistema tancat és bastant capaç de canviar la seva temperatura, i fins i tot de diferents maneres.

I pel que fa a una transformació agregada de la matèria com la fusió, és obvi que no necessita cap "calor latent". Escalfeu la mostra fins al seu punt de fusió -i mantingueu-la si cal- i la mostra es fonrà sense ajuda. Els que van veure la pel·lícula èpica "El Senyor dels Anells" probablement recorden els últims segons de l'Anell de l'Omnipotencia. Ha caigut a la boca de la "muntanya que espia foc" -i ara s'aixeca allà, s'estén… s'escalfa, s'escalfa… i, finalment, una xocolata! I en comptes d'un anell, ja escampen gotes. Aquesta escena va tenir molt èxit per als cineastes. Sensació plena de la realitat!

(Es pot veure un fragment amb un anell a l'enllaç:

L'or té una bona conductivitat tèrmica i l'anell era petit, de manera que s'escalfava en la seva totalitat alhora. I immediatament en tot el volum es va escalfar fins al punt de fusió, immediatament i es va fondre, sense exigències de calor innecessàries. Per cert, testimonis oculars de l'escalfament de la ferralla, per exemple, l'alumini als forns d'inducció, testifiquen: no es fon gradualment, gota a gota; per contra, els fragments que sobresurten comencen a flotar i fluir immediatament per tot el seu volum. En el cas del gel, l'absència de demandes de calor innecessàries per a la fusió no és evident simplement perquè la conductivitat tèrmica del gel és molt pitjor que la dels metalls. Per tant, el gel es fon gradualment, gota a gota. Però el principi és el mateix: el que s'escalfa fins al punt de fusió, després es fon immediatament.

O. Kh. Derevensky

Llegeix completament