Dohání teplo

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

"Správné představy o teple se dnes děti učí už v sedmé třídě."

(ze sbírky „Vtipy velkých vědců“)

… Kazašská step sežehnutá Sluncem. Vědci z malé expediční skupiny, utírání potu, pozorují saigy. Tito vědci provádějí odpovědný vědecký výzkum. Chtějí experimentálně potvrdit slova akademika Timiryazeva: „“.

Metodika našich vědců není nikde jednodušší. Sledují, kolik trávy zvířata žerou ve svém přirozeném prostředí. Kalorický obsah tohoto krmiva - tzn. množství tepla, které se uvolňuje při jeho spalování v kalorimetru, vědci již znají. Zbývá jen porovnat množství této „potenciální energie“obsažené v potravě sajgy s prací, kterou během života vyrobí její svaly.

Ale… čím déle to vědci pozorovali, tím byli melancholičtější. Vidíte, tyhle saigy byly nějak špatně. Jedli málo - počet kalorií v jejich přídělech se ukázal být několikrát nižší než spotřeba energie jejich svalů. Tukové zásoby s tím neměly nic společného – jaké jsou vaše tukové zásoby v létě? Nejurážlivější na tom bylo, že saigové převrátili všechny „vědecky podložené normy“: obsah kalorií v jejich jídle zjevně nestačil k životu a vypadali docela vesele… Tady je okouzlující saiga, mrkající na vědce, s grácií zvedl ocas a vydal další várku hovínka. „Viděl jsi, co dělá? - jeden pozorovatel neodolal. - Zesměšňuje nás, přežvýkavce! – „Uklidněte se, kolego! - odpověděl druhý. - Naopak, říká nám: experiment jsme nedotáhli do konce! Tohle … seno prošlo krávou - to, vysušené, také hoří! Místní ho používají jako palivo!" - "Chcete říct, kolego, že tohle… tohle… má také kalorický obsah?" - "Přesně tak! A my to změříme!"

Sotva řečeno, než uděláno. Kalorimetr se nebavil, když v něm pálili hovínka - ale kvůli vědě jsem musel vydržet. Ještě méně se však vědci bavili, když se přesvědčili, že kalorický obsah hovínka je stejný jako kalorický obsah původního krmiva. Ukázalo se, že na úrovni Timiryazevovy „potenciální energie obsažené v organické hmotě“zvíře nejen spotřebuje mnohem méně, než je potřeba pro práci jeho svalů, ale také uvolňuje tolik, kolik spotřebuje. To znamená, že na práci svalů nezbývá absolutně nic. Naši vědci si byli dobře vědomi toho, že takové kuriózní závěry nebyly pro jejich zprávy. Nasypali si proto na vlasy popel – ty samé připálené hovínka – a tím to skončilo.

A zatím je situace ohledně „kalorického obsahu jídla“jakousi kocovinou. Pokud se zeptáte odborníků na výživu, kolik kalorií denně byste měli přijmout s jídlem, abyste „zaručili zhubnout do dvou týdnů“, vysvětlí vám vše podrobně - navíc to vezmou levně a nemrknou okem. Jejich práce je taková… Ale my se akademiků ptáme: odkud se berou kalorie, které saigy používají k chůzi, žvýkání a zvedání ocasů? A tuto otázku nemají akademici příliš rádi. Bolestně je pro ně nepříjemný. Maximum, kterého z nich můžete dosáhnout, je apel na skutečnost, že živé organismy jsou, jak říkají, nejsložitější vysoce organizované systémy, a proto, jak říkají, ještě nebyly dostatečně prozkoumány. Takže vy, strejdové, v rámci studia živých organismů, mlčíte o výsledcích kalorimetrických měření, jak je popsáno výše? Nebo se bojíte, že se budete muset červenat, až se vám budou děti smát? No, tady je pro vás osvědčený lidový lék: potírejte si náhubek z červené řepy – když se budete červenat, nebude to tak nápadné.

Jak přišli akademici k tomuto životu? Dobře, i když jsou pro ně živé organismy příliš obtížné. Ale v neživé látce, která podléhá působení pouze fyzikálních a chemických zákonů – mají být tedy otázky s kaloriemi zcela průhledné? Nemluvíme o jevech, které se vyskytují v urychlovačích a urychlovačích. To jsou jevy, které si každý může reprodukovat ve vlastní kuchyni. Zdálo by se, že kolosální praktické zkušenosti měly být formovány do zcela jasných představ o teple. My vám ale prozradíme, jak se tato zkušenost skutečně utvářela.

I antičtí filozofové se v otázce povahy tepla rozdělili na dva tábory. Někteří věřili, že teplo je nezávislá látka; čím více je v těle, tím je teplejší. Jiní věřili, že teplo je projevem nějaké vlastnosti vlastní hmotě: v daném stavu hmoty je tělo chladnější nebo teplejší. Ve středověku dominoval první z těchto konceptů, což lze snadno vysvětlit. Koncepty struktury hmoty na atomové a molekulární úrovni byly tehdy zcela nevyvinuté – a proto bylo záhadou, že vlastnost hmoty může být zodpovědná za teplo. Filosofové se v drtivé většině neobtěžovali s hledáním této záhadné vlastnosti - ale, vedeni stádním instinktem, se drželi pohodlného pojetí tepla jako "výhřevné hmoty".

Ach, jak houževnatě se toho drželi - ke křečím v úchopových svalech. Rozumějte: výhřevná hmota se jakoby přenáší z horkých těles do studených, když se dostanou do kontaktu. Čím více kalorické hmoty v těle, tím vyšší je tělesná teplota. co je teplota? A to je jen míra obsahu výhřevnosti. Pokud se výhřevnost přenáší zprava doleva, pak je teplota vpravo vyšší. A naopak. Pokud se výhřevnost nepřenáší ani doprava, ani doleva, pak jsou teploty vpravo a vlevo stejné. Nechť se ukáže, že pojmy "výhřevnost" a "teplota" jsou spojeny logickým začarovaným kruhem, ale jinak bylo všechno úžasné. Bylo dokonce možné vyvodit praktické závěry: aby se těleso zahřálo, je potřeba do něj přidat výhřevnost – v porovnání s tím, co už má. A na takový přídavek je potřeba více zahřáté těleso, jinak se výhřevnost nepřenese. Lesk! Na základě těchto myšlenek byly vyrobeny fungující tepelné motory! Dokonce byl formulován princip nezničitelnosti výhřevnosti, tedy vlastně zákon zachování tepla!

Samozřejmě, dnes je pro nás snadné mluvit o naivitě těchto středověkých vrtochů. Dnes víme, že teplo je jednou z forem energie a zákon zachování energie neplatí pro žádnou z jejích forem. Tento zákon funguje pro energii jako celek – s přihlédnutím ke skutečnosti, že některé formy energie lze přeměnit na jiné. Ale v té době, kdy byla výhřevná hmota považována za nedílnou součást vesmíru, princip její nezničitelnosti díky nárokům na univerzální rozsah přiváděl filozofy k úžasu. Pro experimentální potvrzení tohoto principu – pravda, ne v univerzálním, ale v lokálním měřítku – byly vynalezeny a uvedeny do provozu tyto boxy s dvojitým dnem, zvané kalorimetry.

Je to úžasné: v průběhu vědeckého a technologického pokroku, od mechanických stopek, přešli nejprve na quartzové a poté na atomové hodiny, od pásků pro měření Země přešli na laserové dálkoměry a poté na GPS přijímače - a otočily se pouze kalorimetry je zcela nenahraditelný v otázce přímého stanovení tepelných účinků. Až dosud slouží kalorimetry svým uživatelům věrně: uživatelé jim věří a myslí si, že s jejich pomocí znají pravdu. A ve středověku byly vymodlené, chráněné před zlým okem a dokonce i fumigované kadidlem – což však příliš nepomáhalo. Zde se podívejte: zkoumaný proces probíhal ve sklenici s tepelně vodivými stěnami, která byla uvnitř velké sklenice naplněné pufrovací látkou. Pokud se během studovaného procesu výhřevné látky uvolnily nebo absorbovaly, pak se teplota pufrovací látky zvýšila nebo snížila. Naměřenou hodnotou byl v obou případech teplotní rozdíl pufrovací látky před a po studovaném procesu - tento rozdíl byl stanoven pomocí teploměru. Voila! Je pravda, že se rychle objevila malá obtíž. Měření byla opakována se stejným testovacím procesem, ale s různými pufrovacími látkami. A ukázalo se, že stejné hmotnosti různých pufrovacích látek, získávajících stejné množství výhřevnosti, se zahřívají o různé stupně. Bez přemýšlení zavedli mistři tepelných záležitostí do vědy ještě jednu charakteristiku látek - tepelnou kapacitu. To je docela jednoduché: tepelná kapacita je větší pro látku, která obsahuje více výhřevnosti, aby se zahřála o stejný počet stupňů, všechny ostatní věci jsou stejné. Počkej počkej! Pak je pro stanovení tepelného účinku kalorimetrickou metodou nutné znát předem tepelnou kapacitu pufrovací látky! Jak to víš? I na tuto otázku dali mistři tepla bez namáhání odpověď. Rychle pochopili, že jejich boxy jsou dvouúčelová zařízení, která jsou vhodná pro měření nejen tepelných účinků, ale i tepelných kapacit. Pokud totiž změříte teplotní rozdíl tlumivé látky a znáte jím pohlcené množství látky generující teplo, pak je požadovaná tepelná kapacita na vašem stříbrném podnose! A tak se stalo: tepelné účinky byly měřeny na základě znalosti tepelných kapacit a tepelné kapacity byly rozpoznány na základě měření tepelných účinků. A kdyby se někdo ne ze zlomyslnosti, ale čistě ze zvědavosti zeptal: "Co jste změřili jako první - teplo nebo tepelnou kapacitu?" - pak mu bylo v tomto duchu odpovězeno: "Poslouchej, chytráku, co bylo dřív - slepice nebo vejce?" - a moudrý pochopil, že se nemá ptát hloupě.

Stručně řečeno: pokud se neptáte hloupě, pak bylo v kalorimetrické metodě vše v pořádku, s výjimkou jedné nuance. Tato metoda byla od počátku založena na klíčovém postulátu, že výhřevná hmota je schopna proudit pouze z více zahřátých těles do méně zahřátých. Pak nikoho nenapadla jednoduchá věc: pokud je tento klíčový postulát správný, pak se časem teploty všech těles vyrovnají – a jak se říká, amen. Kdyby to však někoho napadlo, rozumně by mu namítli, že Boží plán nemůže obsahovat takovou hloupost – a v tom by se všichni uklidnili.

Jedním slovem, pojem výhřevnosti ve vědě je příjemně zahřátý. Náš Lomonosov se proto svou rustikální jednoduchostí do této idyly nevešel. Ostatně určitých konceptů se nedržel, zkoumal je – a nabízel na oplátku adekvátnější. V "Úvahách o příčině tepla a chladu" (1744) Lomonosov jasně formuloval příčinu tepla - což je "" tělesných částic. Mimochodem, okamžitě učinil fenomenální závěr: "". Dnes se používá více vědecký termín - "absolutní nulová teplota", ale jméno Lomonosov není uvedeno. Koneckonců měl tu neobezřetnost zničit koncept výhřevnosti! Takže napsal, že filozofové neukázali - "". „“Kdyby tehdy filozofové použili metody kvantové mechaniky, přišli by s jakýmsi „snížením tepelné funkce“. I když přes všechno "středověké tmářství" bylo považováno za neslušné být tak upřímně idiotské - stalo se běžným až ve dvacátém století. Čekalo se ještě dlouho… A Lomonosov vyřešil následující klam - o váze "výhřevnosti". "". Bohužel, známý Robert Boyle udělal něco špatně: když se kov praží, tvoří se na něm vodní kámen a váha vzorku se zvyšuje – ovšem kvůli látce přidané v důsledku oxidační reakce. "", Navíc, "". Ale Lomonosov také kontroloval "".

Ve srovnání s těmito zdrcujícími argumenty byla celá doktrína o výhřevnosti dětinským blábolením – to chápali i učni v chemických laboratořích. Ale akademičtí mistři neuznali Lomonosovovu pravdu - moudře zachovali smrtelné ticho. "V tomto případě se nemáme o čem hádat," usoudili. "Ale nemůže to být tak, že jsme všichni blázni a on jediný je génius." Navíc tato myšlenka posedle přišla na všechny akademické hlavy. Akademici se sice nedohodli, ale navenek se to projevilo jako stodolarové světové spiknutí. A všichni to byli ti nejčestnější a nejušlechtilejší lidé. Co se týče výběru – jeden k druhému je poctivější a ušlechtilejší. Poctivý jezdil na poctivém a řídil ušlechtilého.

Vezměte si Eulera, který byl považován za přítele Lomonosova. Když pařížská akademie věd vyhlásila soutěž o nejlepší práci o povaze tepla, soutěž vyhrála a obdržela Eulerovu cenu, který v předložené práci napsal: „“(1752). Ale tento Eulerův případ byl výjimkou. Zbytek „čestných a ušlechtilých“mlčel a trpělivě očekával smrt Lomonosova (1765). A teprve potom, když čekali dalších sedm let, aby byli věrní, začali znovu hurá na výhřevnost. Víte, nebylo možné připustit, že měl Lomonosov pravdu. Kdyby teď udělal nějakou maličkost - například odhalil bludy téhož Boyla, a je to - pak by Lomonosovův zákon byl nyní v učebnicích, stejně jako zákon Boyle-Mariotte. A Lomonosov se nechal unést a odhodil veškerou tehdejší vědu. Souhlaste, nepište do učebnic „první zákon Lomonosova“, „druhý zákon Lomonosova“atd. - když skóre jde do mnoha desítek! Studenti budou zmateni! Čerstvá experimentální fakta, která by se dala interpretovat v duchu výhřevnosti, proto prošla s třeskem.

A jsou tu některá fakta. V té době měli přírodovědci módu: míchat takové a takové množství studené vody s takovým a takovým množstvím horké vody - a určit výslednou teplotu směsi. Zkušenosti potvrdily Richmanův vzorec: hodnota teploty byla váženým průměrem - v konkrétním případě se stejným množstvím studené a teplé vody to byl aritmetický průměr. A tak: chemik Black a poté také chemik Wilke začali prověřovat Richmannův vzorec pro případ smíchání horké vody ne se studenou vodou, ale s ledem - rozhodli, že při bodu tání „ten led, ta voda je svinstvo“. Výsledek vyšel – dnes lze s jistotou říci – naprosto ohromující. Konečná teplota vody pro případ počáteční stejné hmotnosti ledu při 0^ÓC a voda při 70^ÓC se ukázalo být daleko od aritmetického průměru - ukázalo se, že je rovno 0^ÓS. Ohromující? A pak! Mysl byla tak temná, že se nadšeně oddala konceptu „latentního tepla tajícího ledu“. Podle tohoto konceptu nestačí k roztátí ledu ohřát ho na teplotu tání, k čemuž bude potřeba sdělit mu určité množství výhřevnosti v souladu s jeho tepelnou kapacitou - bude také nutné do ledu vhánět další obrovské množství výhřevných látek, které povedou k samotnému tání. Pravda, při tání se teplota ledu nemění a teploměry na tuto další výhřevnost nereagují – proto se teplu tání říká „latentní“. Všechno je promyšlené! A co je nejdůležitější, zkušenosti potvrzují: kde prý jde zásoba tepla vodou na 70^ÓC, ne-li tající led?! Takto jsme zjistili číselnou hodnotu jeho latentního tepla tání. Akademici plakali radostí a zavírali oči před skutečností, že logika Blacka a Wilkeho funguje za nepostradatelného předběžného předpokladu: množství tepla v přírodě je zachováno. S tímto klamným předpokladem výsledky Blacka a Wilkeho skutečně potvrdily přítomnost kalorické hmoty. Všechno začalo znovu. Lomonosovovo úsilí však nebylo marné: přítomné výhřevnosti byla přisuzována tak specifická vlastnost, jako je nepřítomnost váhy – jinak to ve skutečnosti dopadlo legračně. A vypustili místo kalorické hmoty beztížnou kalorickou tekutinu, pro kterou zvolili výstižný název: kalorický. A byly čím dál krásnější než předtím.

Proč o tom mluvíme tak podrobně? Protože je užitečné vědět, jak se tato hra o latentních žárech agregátních transformací objevila ve fyzice – což je stále považováno za vědeckou pravdu. Budeme muset říci pár slov o „vědecké povaze“této „pravdy“.

Představte si: vnitřní sklo kalorimetru obsahuje vodu a led - v tepelné rovnováze mezi sebou a s pufrovací látkou. Zanedbatelný nárůst teploty, až do tzv. likvidus body - a fázová rovnováha mezi ledem a vodou bude narušena: led začne tát. Odkud se vezme teplo pro toto tání? Z tlumivé látky, nebo co? Pak ale jeho teplota klesne a tok tepla „na tání“se zastaví. Ve skutečnosti veškerý led roztaje a teplota zůstane na bodu likvidu. Skandál!

Možná dnešní akademici považují tento výsledek za jakousi nepříjemnou výjimku, protože v jiných případech se prý konce dokonale setkávají – například při výpočtu tepelné bilance hvězdy tau-Ceti. Ne, vážení, zde nevystoupíte s „výjimkou“. Podle vašeho názoru by tvorba ledu v otevřených vodních útvarech měla být také doprovázena tepelným efektem - teprve nyní by se mělo uvolnit stejné „teplo fúze“. Vy, moji drazí, jste si dali tu práci, abyste zjistili – k jakým výsledkům by to mělo vést? Led roste zespodu a tepelná vodivost ledu je o dva řády horší než u vody. Prakticky veškeré „teplo tání“by se tedy mělo uvolnit do vody pod ledem. Pokud referenční hodnoty dosadíme do nejjednodušší rovnice tepelné bilance pro uvažovaný případ, ukáže se, že tvorba 1mm vrstvy ledu by způsobila zahřátí sousední 1mm vrstvy vody o 70 stupňů (a 0,5mm vrstva vody - až 140 stupňů, ale již při 100^ÓZačalo by to vřít). Jak se vám líbí tento výsledek, drazí? Možná si řeknete, že jsme nadarmo nepočítali s termickým promícháním vody? Ve skutečnosti v rozsahu od 0^Ó až 4^ÓC, teplejší voda klesá a studenější stoupá. Jaký to! Ale i za podmínek takového míchání, pokud by na povrchu vody byl zdroj tepla, voda nahoře by byla teplejší než dole. Ve skutečnosti je typický arktický teplotní profil ve vodě pod ledem následující: voda ve styku s ledem má teplotu blízkou bodu mrazu a jak se hloubka zvětšuje (v rámci určité vrstvy), teplota se zvyšuje. To je zřejmý důkaz: do vody neproudí teplo z ledu, a to ani z rostoucího ledu. Oceánologové si to uvědomili už dávno, a tak vymysleli takového blázna: „“. Co dělá toto teplo dále, které se v regionálním měřítku počítá v bilionech kilokalorií – oceánologům už je to jedno; nechme atmosférické inženýry zabývat se tímto teplem dále. Někdo by si mohl myslet, že oceánologové nevědí, že tepelná vodivost ledu je o dva řády horší než voda. Kam, až se člověk diví, směřují znovu a znovu arktické výpravy a co tam hydrologové spolu s meteorology dělají - vysekávají ledové sochy, nebo co?

A není třeba se plahočit do Arktidy, abyste se ujistili, že se při zamrznutí vody neuvolňuje teplo. V televizi MythBusters ukázali vysoce reprodukovatelný zážitek. Z lednice je úhledně vytažena láhev podchlazeného tekutého piva. Po této láhvi šťouchnete – a pivo v ní během pár sekund zmrzne na ledové vločky. A láhev zůstane studená… Tato zkušenost má obrovskou popularizační sílu. Klíčová slova: „teplé, studené, láhev, pivo“- vše je velmi srozumitelné. I pro dnešní akademiky.

Představte si, jak je to pro tyto akademiky těžké: protože neexistuje žádné „latentní teplo fúze“, budete muset fyziku pro sedmou třídu nejen přepisovat, ale také se vymlouvat – jak je někteří středověcí chemici Black a Wilke napálili. A jak se lze ospravedlnit, když akademici stále nerozumí tajemství tohoto triku? Dobře, ukážeme vám to. Tajemství je, že led na 0^Ó, po smíchání s horkou vodou nezvyšuje svou teplotu: taje při konstantní teplotě. A dokud úplně neroztaje, je zdrojem ochlazování: voda, která s ním byla v kontaktu, která byla nejprve horká, se ohřeje, poté ochladí a poté zmrzne… se stejnou počáteční hmotností ledu při 0^ÓC a voda při 70^ÓС, veškerá výsledná voda bude mít 0^ÓC. Případ, jak vidíte, je jednoduchý. Ale ne, po nás požadují vysvětlení – ale kde se prý vzalo teplo, které měla teplá voda? Přátelé, tato otázka by byla na místě, pokud by v přírodě fungoval zákon zachování tepla. Tepelná energie se však nešetří: volně se přeměňuje na jiné formy energie. Níže si ukážeme, že uzavřený systém je docela schopný měnit svou teplotu – a to dokonce různými způsoby.

A pokud jde o takovou agregátní přeměnu hmoty, jako je tání, je zřejmé, že nepotřebuje žádné „latentní teplo“. Zahřejte vzorek na teplotu tání - a v případě potřeby ji udržujte - a vzorek se roztaví bez pomoci. Ti, kteří sledovali filmový epos "Pán prstenů", si pravděpodobně pamatují poslední vteřiny Prstenu všemohoucnosti. Spadlo to do úst „oheň chrlící hory“- a teď tam leží, leží … zahřívá, zahřívá … a konečně - žvýkačka! A místo prstenu - již šířící se kapky. Tato scéna byla pro filmaře velmi úspěšná. Plný smysl pro realitu!

(Úryvek s prstenem si můžete prohlédnout na odkazu:

Zlato má dobrou tepelnou vodivost a prsten byl maličký, takže se zahřál celý najednou. A hned v celém objemu byla zahřátá na bod tání - okamžitě a roztavená, bez zbytečných nároků na teplo. Mimochodem, očití svědci ohřevu kovového odpadu, například hliníku v indukčních pecích, dosvědčují: netaví se postupně, kapka po kapce - naopak vyčnívající úlomky začnou plavat a okamžitě proudit celým svým objemem. V případě ledu není absence zbytečných tepelných nároků na tání zřejmá už jen proto, že tepelná vodivost ledu je mnohem horší než u kovů. Led proto taje postupně, kapku po kapce. Princip je ale stejný: co se zahřeje na bod tání – pak se hned roztaví.

O. Kh. Derevensky

Přečtěte si úplně