Температура и теплота
В старину на Руси сведения о погоде записывали так: «1657 год, Генваря, 30-го дня, пяток. День был до обеда холоден и ведрен, а после обеда оттепелен, в ночи было ветрено». В то время еще не было термометров.
Если требовалось отметить температуру воздуха в зимний день, то записывали так: «Мороз мал» или «Мороз лютый».
Первые термометры появились лишь в начале XVII века. Как не похожи они были на наши, современные! Это можно видеть на рисунке 107, на котором изображен первый термометр Галилея, и рисунке 108, на котором изображен первый медицинский
Но и после появления первых термометров еще не было введено понятие о градусе, не установлена начальная точка отсчета температуры.
Первое представление о температуре не было достаточно четким, и не всегда понятие «температура» отличали от понятия, получившего название «количество теплоты».
Перенесемся мысленно более чем на два столетия назад в конференц-зал Петербургской Академии наук. 14 декабря 1744 года. На дворе изрядный мороз, оконные стекла покрыты толстым слоем ледяных узоров, но в зале тепло и многолюдно. Присутствует на заседании и Михаил Васильевич Ломоносов.
Его коллега и друг, профессор экспериментальной физики Георг Рихман читает доклад на тему «Размышление о количестве теплоты, которое должно получаться при смешении жидкостей, имеющих определенные градусы теплоты». Доклад начинался так: «Милостивые Государи! После того как 12 октября 1744 года в академической конференции было прочитано рассуждение преславного Крафта о тепле и холоде, я исследовал остроумно найденную им формулу для количества или градуса теплоты в жидких смесях…»
Рихман имел в виду найденную Крафтом опытным путем формулу для определения температуры смеси двух порций воды:
Где a и b — массы этих порций, m и n — их температуры (рис. 109).
Рихман показал, что формула Крафта пригодна лишь для небольших порций воды, в противном случае отклонения фактической температуры смеси от расчетной становятся слишком значительными. Рихман предложил свою формулу для определения температуры смеси однородных жидкостей, которая затем перешла в учебники физики под названием «формулы Рихмана»:
Следует отметить, что Рихман в отличие от Крафта решил задачу не для двух порций воды, а для любого числа их. Мы привели сокращенную формулу только для двух порций воды.
Однако Рихман согласно господствовавшей в то время теории теплорода считал, что теплота есть некоторая материальная сущность, «тепловая материя», которая равномерно распределяется в данном объеме.
Рихман не разграничивал понятия «температура» и «количество теплоты». Это видно из приведенного вступления к его докладу. И температуру, и количество теплоты он обозначал одинаково: Calor (доклад был написан и зачитывался по-латыни). Не знал Рихман и единицы для измерения количества теплоты. И все же именно работа Рихмана положила начало точным количественным расчетам в области теплотехники.
Но чтобы перейти к этим расчетам, надо было сделать еще один шаг. Этот шаг был сделан английским химиком Блэком (1727-1799).
История науки мало знает таких опытов, как следующий опыт Блэка. Согласно формуле Рихмана температура смеси двух равных порций одного и того же вещества, взятых при различных температурах, должна равняться средней арифметической между двумя данными температурами. Если температура равных порций воды до смешения были 80°C и 0°C, то температура смеси должна быть (80°C + 0°C) / 2 = 40°C, что и наблюдалось на опыте. Но когда Блэк смешал порцию горячей воды при 80°C с равной порцией льда при 0°C (рис.
110), он, к огромному своему удивлению, увидел, что температура смеси (после таяния льда) получилась не 40°C, а 0°C! «Тающий лед, — писал Блэк, — принимает в себя много тепла, но все действие последнего ограничивается только превращением льда в воду, которая нисколько не нагревается против бывшей температуры льда. При этом тепло как бы поглощается водой или скрывается в ней и термометр не обнаруживает его присутствия». Процесс плавления льда казался химику Блэку своего рода химической реакцией: лед + теплород = вода.
Вы получите немалое удовольствие и приобретете полезные знания, если повторите этот опыт Блэка, а также проведете следующие опыты.
Опыт 1. Возьмите два одинаковых сосуда. В один положите лед при 0°C, в другой налейте такое же количество воды при 0°C и по термометру наблюдайте за постепенным их нагреванием в комнате (при температуре воздуха около 20°C). Если через ¼ ч вода нагреется до 4°C (это зависит, конечно, от массы взятой воды, приведенное время лишь примерное), то весь лед растает (т. е. превратится в воду при 0°C) лишь через 5 ч.
Подумайте, как на основании этих данных вычислить теплоту плавления льда.
Опыт 2. (По описанию Блэка.) «Я взял два одинаковых сосуда с плоским дном и поставил их на горячую плиту, налив 8 унций (1 унция равна примерно 28,35 г) воды при 20°C. Оба сосуда начали кипеть через 3½ мин, и через 18 мин вся вода выкипела». Вычислите теплоту парообразования воды.
Вы можете повторить опыт, пользуясь одним сосудом. Постарайтесь объяснить причину расхождения между значением теплоты парообразования воды, вычисленным их опыта и приводимым в учебнике физики.
Опыты Блэка со льдом и водой, естественно, подводили к вопросу: не требуют ли различные вещества для нагревания на одно и то же число градусов различного количества теплоты?
В опыте по определению температуры смеси двух порций воды Блэк одну из порций заменил ртутью и установил, что «ртуть обладает меньшей емкостью по отношению к тепловой материи, чем вода».
Блэк точно разграничивал понятия «количество теплоты» и «температура». Он писал: «Когда мы говорим о распределении теплоты, всегда нужно различать количество теплоты и силу теплоты (по современной терминологии температуру) и не смешивать эти две величины».
Название единицы количества теплоты «калория» появилось лишь в 1852 году во Франции. В других странах, где метрическая система распространилась позже, термин «калория» появился тоже значительно позднее. В России термин «калория» стали применять лишь в 90-х годах прошлого столетия.
Теория теплорода, ложная в своей основе, сыграла в истории науки и положительную роль: она способствовала развитию учения о тепловых процессах, без чего немыслимо и их техническое использование. Теория теплорода отмерла, но, умирая, она оставила нам терминологию. Прогрессивные в прошлом термины «количество теплоты», «теплоемкость», «скрытая теплота» уже не соответствуют современному взгляду на тепловые процессы как на изменения внутренней энергии тела.
Эти термины препятствуют правильному пониманию физической сущности тепловых явлений. Употребляя эти термины, авторы учебников физики обычно разъясняют их условное значение.
Постепенно и калория исчезает из употребления и заменяется другими общепринятыми единицами энергии: джоулями и киловатт-часами. (1 кал = 4,19 Дж = 1,16 * 10-3 Вт * ч.)
(1 votes, average: 5,00 out of 5)