Recuperare il calore

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

"Oggi i bambini imparano le idee corrette sul calore già in seconda media."

(Dalla raccolta "Barzellette di grandi scienziati")

… La steppa kazaka bruciata dal sole. Scienziati di un piccolo gruppo di spedizione, asciugandosi il sudore, osservano le saighe. Questi scienziati conducono una ricerca scientifica responsabile. Vogliono confermare sperimentalmente le parole dell'accademico Timiryazev: "".

La metodologia dei nostri scienziati non è affatto più semplice. Tracciano quanta erba mangiano gli animali nel loro ambiente naturale. Il contenuto calorico di questo feed, ad es. la quantità di calore che viene rilasciata quando viene bruciata in un calorimetro è già nota agli scienziati. Resta solo da confrontare la quantità di questa "energia potenziale" contenuta nel cibo della saiga con il lavoro che i suoi muscoli producono durante la sua vita.

Ma… più a lungo gli scienziati osservavano, più diventavano malinconici. Vedi, queste saiga erano in qualche modo sbagliate. Mangiarono un po ': il numero di calorie nelle loro razioni si rivelò molte volte inferiore al consumo energetico dei loro muscoli. Le riserve di grasso non hanno nulla a che fare con questo: quali sono le tue riserve di grasso in estate? La cosa più offensiva è stata che le saiga hanno ribaltato tutte le "norme scientificamente fondate": il contenuto calorico del loro cibo non era chiaramente sufficiente per la vita, e sembravano abbastanza allegre … Ecco un'affascinante saiga, che strizza l'occhio agli scienziati, con grazia alzando la coda e distribuendo un altro lotto di cacca. “Hai visto cosa sta facendo? - un osservatore non ha resistito. - Ci prende in giro, ruminante! - “Calmati collega! - rispose il secondo. - Al contrario, ci dice: non abbiamo portato a termine l'esperimento! Questo … il fieno è passato attraverso la mucca - esso, essiccato, brucia anche! La gente del posto lo usa come carburante!" - "Vuoi dire, collega, che questo… questo… ha anche un contenuto calorico?" - "Esattamente! E lo misureremo!”

Detto fatto. Il calorimetro non si è divertito quando ci hanno bruciato la cacca - ma per il bene della scienza ho dovuto sopportare. Tuttavia, i ricercatori si sono divertiti ancora meno quando si sono convinti che il contenuto calorico della cacca è lo stesso del contenuto calorico del mangime originale. Si è scoperto che a livello di "energia potenziale contenuta nella materia organica" di Timiryazev, l'animale non solo consuma molto meno di quanto richiesto per il lavoro dei suoi muscoli, ma rilascia anche tanto quanto consuma. Cioè, non è rimasto assolutamente nulla affinché i muscoli funzionino. I nostri scienziati erano ben consapevoli che conclusioni così curiose non erano adatte ai loro rapporti. Pertanto, hanno cosparso di cenere i loro capelli - quella stessa cacca bruciata - e quella era la fine.

E finora, la situazione relativa al "contenuto calorico del cibo" è una sorta di postumi di una sbornia. Se chiedi ai nutrizionisti quante calorie al giorno dovrebbero essere consumate con il cibo per "garantire di perdere peso in due settimane", ti spiegheranno tutto in dettaglio - inoltre, lo prenderanno a buon mercato e non batteranno ciglio. Il loro lavoro è così… Ma chiediamo agli accademici: da dove vengono le calorie che le saiga usano per camminare, masticare e sollevare la coda? E agli accademici non piace molto questa domanda. Dolorosamente, è a disagio per loro. Il massimo che puoi ottenere da loro è un appello al fatto che gli organismi viventi, dicono, sono i sistemi altamente organizzati più complessi e quindi, dicono, non sono stati ancora sufficientemente studiati. Quindi voi zii, nell'ambito dello studio degli organismi viventi, state tacendo sui risultati di misurazioni calorimetriche come quelle sopra descritte? O hai paura di dover arrossire quando i bambini ridono di te? Bene, ecco un rimedio popolare provato per te: strofina il muso della barbabietola - se arrossisci, non sarà così evidente.

Come sono arrivati a questa vita gli accademici? Ok, anche se gli organismi animati sono troppo difficili per loro. Ma in una sostanza inanimata, che è soggetta all'azione delle sole leggi fisiche e chimiche - è allora che le domande con le calorie dovrebbero essere completamente trasparenti? Non stiamo parlando dei fenomeni che si trovano negli acceleratori e nei collisori. Sono fenomeni che chiunque può riprodurre nella propria cucina. Sembrerebbe che la colossale esperienza pratica avrebbe dovuto essere modellata in idee completamente chiare sul calore. Ma vi racconteremo come questa esperienza ha preso davvero forma.

Anche i filosofi antichi nella questione della natura del calore erano divisi in due campi. Alcuni credevano che il calore fosse una sostanza indipendente; più è nel corpo, più è caldo. Altri credevano che il calore fosse una manifestazione di una proprietà inerente alla materia: in un dato stato della materia, il corpo è più freddo o più caldo. Nel Medioevo dominava il primo di questi concetti, il che è facile da spiegare. I concetti della struttura della materia a livello atomico e molecolare erano quindi completamente sottosviluppati - e quindi era un mistero quella proprietà della materia che potesse essere responsabile del calore. I filosofi, nella stragrande maggioranza, non si sono preoccupati di cercare questa misteriosa proprietà - ma, guidati dall'istinto del gregge, hanno aderito al conveniente concetto di calore come "materia calorica".

Oh, con quanta tenacia vi hanno aderito - ai crampi nei muscoli prensili. Comprendi: la materia calorica, per così dire, viene trasferita dai corpi caldi a quelli freddi quando vengono a contatto. La materia più calorica nel corpo, maggiore è la temperatura corporea. Che cos'è la temperatura? E questa è solo una misura del contenuto di materia calorica. Se la materia calorica viene trasferita da destra a sinistra, la temperatura è più alta a destra. E viceversa. Se la materia calorica non viene trasferita né a destra né a sinistra, le temperature a destra e a sinistra sono le stesse. Lascia che i concetti di "materia calorica" e "temperatura" risultino essere collegati da un circolo vizioso logico, ma per il resto tutto è stato sorprendente. È stato anche possibile trarre conclusioni pratiche: per riscaldare un corpo, è necessario aggiungere ad esso materia calorica, rispetto a ciò che già possiede. E per tale aggiunta è necessario un corpo più riscaldato, altrimenti la materia calorica non verrà trasferita. Brillare! Sulla base di queste idee, sono stati realizzati motori termici funzionanti! Fu addirittura formulato il principio dell'indistruttibilità della materia calorica, cioè, appunto, la legge di conservazione del calore!

Certo, oggi è facile per noi parlare dell'ingenuità di queste stranezze medievali. Oggi sappiamo che il calore è una delle forme di energia e la legge di conservazione dell'energia non funziona per nessuna delle sue forme. Questa legge funziona per l'energia nel suo insieme, tenendo conto del fatto che alcune forme di energia possono essere convertite in altre. Ma in quell'epoca in cui la materia calorica era considerata parte integrante dell'Universo, il principio della sua indistruttibilità, dovuto a pretese di portata universale, incuteva soggezione ai filosofi. A conferma sperimentale di questo principio - vero, non su scala universale, ma su scala locale - furono inventate e messe in uso queste scatole a doppio fondo, dette calorimetri.

È sorprendente: nel corso del progresso scientifico e tecnologico, dai cronometri meccanici, sono passati prima al quarzo e poi agli orologi atomici, dai nastri per la misurazione della terra sono passati ai telemetri laser e poi ai ricevitori GPS - e solo i calorimetri sono passati risulta essere assolutamente insostituibile in materia di determinazione diretta degli effetti termici. Fino ad ora, i calorimetri servono fedelmente i loro utenti: gli utenti credono in loro e pensano che con il loro aiuto conoscono la verità. E nel Medioevo si pregava per loro, protetti dal malocchio e persino fumigati con incenso, il che, tuttavia, non aiutò molto. Ecco, guarda: il processo in esame si è svolto in un bicchiere con pareti termoconduttrici, che era all'interno di un grande bicchiere riempito con una sostanza tampone. Se, durante il processo in esame, la materia calorica è stata rilasciata o assorbita, la temperatura della sostanza tampone, rispettivamente, è aumentata o diminuita. Il valore misurato in entrambi i casi era la differenza di temperatura della sostanza tampone prima e dopo il processo in esame - questa differenza è stata determinata utilizzando un termometro. Ecco! È vero, una leggera difficoltà è stata presto scoperta. Le misurazioni sono state ripetute con lo stesso processo di test, ma con diverse sostanze tampone. E si è scoperto che gli stessi pesi di diverse sostanze tampone, acquisendo la stessa quantità di materia calorica, si riscaldano di diverse quantità di gradi. Senza pensarci due volte, i maestri degli affari termici introdussero nella scienza un'altra caratteristica delle sostanze: la capacità termica. Questo è abbastanza semplice: la capacità termica è maggiore per la sostanza che contiene più materia calorica per riscaldarsi dello stesso numero di gradi, a parità di altre condizioni. Aspetta aspetta! Quindi, per determinare l'effetto termico con il metodo calorimetrico, è necessario conoscere in anticipo la capacità termica della sostanza tampone! Come fai a sapere? I maestri del calore, senza sforzarsi, hanno dato una risposta anche a questa domanda. Si sono presto resi conto che le loro scatole sono dispositivi a doppio scopo adatti a misurare non solo gli effetti termici, ma anche le capacità termiche. Dopotutto, se misuri la differenza di temperatura della sostanza tampone e conosci la quantità di materia generatrice di calore assorbita da essa, allora la capacità termica desiderata è sul tuo piatto d'argento! E così è stato: gli effetti termici sono stati misurati sulla base della conoscenza delle capacità termiche e le capacità termiche sono state riconosciute sulla base delle misurazioni degli effetti termici. E se qualcuno, non per cattiveria, ma per pura curiosità, chiedesse: "Cosa hai misurato per primo: calore o capacità termica?" - poi gli fu risposto con questo spirito: "Ascolta, ragazzo intelligente, cosa è nato prima: una gallina o un uovo?" - e il saggio capì che non doveva fare domande stupide.

In breve: se non fai domande stupide, allora tutto andava bene nel metodo calorimetrico, ad eccezione di una sfumatura. Fin dall'inizio, questo metodo si basava sul postulato chiave che la materia calorica è in grado di fluire solo da corpi più riscaldati a quelli meno riscaldati. Quindi nessuno aveva pensato a una cosa semplice: se questo postulato chiave è corretto, nel tempo le temperature di tutti i corpi si eguaglieranno - e, come si suol dire, amen. Tuttavia, se qualcuno ci avesse pensato, gli avrebbe ragionevolmente obiettato che il disegno di Dio non poteva contenere una tale stupidità - e su questo tutti si sarebbero calmati.

In una parola, il concetto di materia calorica nella scienza è comodamente riscaldato. Pertanto, il nostro Lomonosov, con la sua semplicità rustica, non si adattava a questo idillio. Dopotutto, non ha aderito a determinati concetti, li ha ricercati e in cambio ne ha offerti di più adeguati. In "Riflessioni sulla causa del caldo e del freddo" (1744) Lomonosov ha chiaramente formulato la causa del calore - che è "" delle particelle del corpo. A proposito, ha immediatamente fatto una conclusione fenomenale: "". Oggi viene usato un termine più altamente scientifico: "temperatura zero assoluta", ma il nome di Lomonosov non è menzionato. Dopotutto, ha avuto l'imprudenza di distruggere il concetto di materia calorica! Quindi, ha scritto che i filosofi non hanno mostrato - "". “” Se i filosofi avessero poi usato i metodi della meccanica quantistica, avrebbero escogitato una sorta di “riduzione della funzione termica”. Sebbene, nonostante tutto l'"oscurantismo medievale", fosse considerato indecente essere così francamente idiota - è diventato un luogo comune solo nel ventesimo secolo. C'era ancora una lunga attesa … E Lomonosov ha risolto la seguente illusione - sul peso della "materia calorica". "". Ahimè, il noto Robert Boyle ha fatto qualcosa di sbagliato: quando il metallo viene arrostito, si formano incrostazioni su di esso e il peso del campione aumenta, ma a causa della sostanza aggiunta a seguito della reazione ossidativa. "", Inoltre, "". Ma Lomonosov controllava anche "".

In confronto a questi argomenti devastanti, l'intera dottrina della materia calorica era un chiacchiericcio infantile - anche gli apprendisti nei laboratori chimici lo capivano. Ma i maestri accademici non hanno riconosciuto la correttezza di Lomonosov: hanno saggiamente mantenuto un silenzio mortale. "Sul caso, non abbiamo nulla da discutere", hanno pensato. "Ma non può essere che siamo tutti sciocchi, e solo lui è un genio." Inoltre, questo pensiero arrivava ossessivamente a tutti i capi accademici. Sebbene gli accademici non siano giunti a un accordo, esteriormente si è manifestato come una cospirazione mondiale da cento dollari. Ed erano tutte le persone più oneste e nobili. Per quanto riguarda la selezione, l'un l'altro è più onesto e nobile. Uno onesto ha guidato su uno onesto e ha guidato uno nobile.

Prendi Eulero, che era considerato un amico di Lomonosov. Quando l'Accademia delle scienze di Parigi annunciò un concorso per il miglior lavoro sulla natura del calore, vinse il concorso e ricevette il Premio Eulero, che scrisse nell'opera presentata: "" (1752). Ma questo caso di Eulero era un'eccezione. Il resto degli "onesti e nobili" rimase in silenzio e attese pazientemente la morte di Lomonosov (1765). E solo dopo, dopo aver aspettato altri sette anni per essere fedeli, ricominciarono la loro ghironda sulla materia calorica. Vedete, era impossibile ammettere che Lomonosov avesse ragione. Ora, se avesse fatto una piccola cosa - per esempio, svelando le delusioni dello stesso Boyle, e basta - allora la legge di Lomonosov sarebbe nei libri di testo adesso, così come la legge di Boyle-Mariotte. E Lomonosov si è lasciato trasportare e ha spalato tutta la scienza di quel tempo. D'accordo, non scrivere nei libri di testo "la prima legge di Lomonosov", "la seconda legge di Lomonosov", ecc. - quando il punteggio arriva a molte decine! Gli studenti si confonderanno! Ecco perché nuovi fatti sperimentali, che potrebbero essere interpretati nello spirito della materia calorica, sono passati con il botto.

E ci sono alcuni fatti. A quei tempi, i naturalisti avevano una moda: mescolare una tale quantità di acqua fredda con una tale quantità di acqua calda - e determinare la temperatura risultante della miscela. L'esperienza ha confermato la formula di Richman: il valore della temperatura era una media ponderata - nel caso particolare, a parità di acqua fredda e calda, era la media aritmetica. E così: il chimico Black, e poi anche il chimico Wilke, iniziarono a verificare la formula di Richmann per il caso di miscelazione di acqua calda non con acqua fredda, ma con ghiaccio - decidendo che, al punto di fusione, “quel ghiaccio, quell'acqua è una merda”. Il risultato è uscito - oggi si può dire con certezza - assolutamente strabiliante. La temperatura dell'acqua finale per il caso di pesi iniziali del ghiaccio uguali a 0^ohC e acqua a 70^ohC si è rivelato lontano dalla media aritmetica - si è rivelato uguale a 0^ohS. Strabiliante? Poi! Le menti erano così oscure che si abbandonarono con entusiasmo al concetto di "calore latente del ghiaccio che si scioglie". Secondo questo concetto, per sciogliere il ghiaccio, non è sufficiente riscaldarlo alla temperatura di fusione, che richiederà che gli venga comunicata una certa quantità di materiale calorico, in funzione della sua capacità termica - sarà anche necessario per spingere un'ulteriore enorme quantità di materia calorica nel ghiaccio, che andrà allo scioglimento stesso. È vero, durante lo scioglimento, la temperatura del ghiaccio non cambia e i termometri non reagiscono a questa materia calorica aggiuntiva - ecco perché il calore di fusione è chiamato "latente". Tutto è pensato! E, soprattutto, l'esperienza conferma: dove, dicono, la fornitura di calore dell'acqua va a 70^ohC, se non sciogliere il ghiaccio?! È così che abbiamo trovato il valore numerico del suo calore latente di fusione. Gli accademici hanno pianto di gioia, chiudendo gli occhi sul fatto che la logica di Black e Wilke funziona sotto l'indispensabile presupposto preliminare: la quantità di calore in natura è conservata. Con questa delirante presupposto, i risultati di Black e Wilke hanno effettivamente confermato la presenza di materia calorica. Tutto è ricominciato da capo. Tuttavia, gli sforzi di Lomonosov non furono vani: l'attuale materia calorica fu attribuita a una proprietà così specifica come l'assenza di peso - altrimenti, in effetti, si rivelò divertente. E rilasciarono, invece della materia calorica, un fluido calorico senza peso, per il quale scelsero un nome appropriato: calorico. E sono diventate sempre più belle di prima.

Perché ne parliamo in modo così dettagliato? Perché è utile sapere come è apparso in fisica questo gioco sui calori latenti delle trasformazioni aggregate - che è ancora considerato una verità scientifica. Dovremo spendere qualche parola sulla “natura scientifica” di questa “verità”.

Immagina: il vetro interno del calorimetro contiene acqua e ghiaccio - in equilibrio termico tra loro e con una sostanza tampone. Un trascurabile aumento della temperatura, fino al cosiddetto. punti liquidus - e l'equilibrio di fase tra ghiaccio e acqua sarà violato: il ghiaccio inizierà a sciogliersi. Da dove verrà il calore per questo scioglimento? Da una sostanza tampone, o cosa? Ma poi la sua temperatura diminuirà e il flusso di calore "per la fusione" si fermerà. Infatti, tutto il ghiaccio si scioglierà e la temperatura rimarrà al punto di liquidus. Scandalo!

Forse gli accademici di oggi considerano questo risultato una sorta di fastidiosa eccezione, poiché in altri casi, dicono, i conti tornano perfettamente, ad esempio quando si calcola il bilancio termico della stella tau-Ceti. No, carissimi, qui non te la caverai con una "eccezione". Secondo te, anche la formazione di ghiaccio nei corpi idrici aperti dovrebbe essere accompagnata da un effetto termico: solo ora dovrebbe essere rilasciato lo stesso "calore di fusione". Voi, miei cari, vi siete presi la briga di capire - a quali risultati dovrebbe portare questo? Il ghiaccio cresce dal basso e la conduttività termica del ghiaccio è di due ordini di grandezza peggiore di quella dell'acqua. Pertanto, praticamente tutto il "calore di fusione" dovrebbe essere rilasciato nell'acqua sotto il ghiaccio. Se sostituiamo i valori di riferimento nella più semplice equazione di bilancio termico per il caso in esame, risulta che la formazione di uno strato di ghiaccio di 1 mm causerebbe il riscaldamento di uno strato d'acqua adiacente di 1 mm di 70 gradi (e un Strato d'acqua di 0,5 mm - fino a 140 gradi; tuttavia, già a 100^ohcomincerebbe a bollire). Vi piace questo risultato, carissimi? Forse direte che non abbiamo tenuto conto invano della miscelazione termica dell'acqua? Infatti, nell'intervallo da 0^oh fino a 4^ohC, l'acqua più calda scende e l'acqua più fredda sale. Che! Ma, anche nelle condizioni di tale miscelazione, se ci fosse una fonte di calore sulla superficie dell'acqua, l'acqua sopra sarebbe più calda che sotto. Infatti, il tipico profilo di temperatura artico nell'acqua sotto il ghiaccio è il seguente: l'acqua a contatto con il ghiaccio ha una temperatura prossima al punto di congelamento, e all'aumentare della profondità (all'interno di un certo strato), la temperatura aumenta. Questa è una prova evidente: non c'è flusso di calore nell'acqua dal ghiaccio, anche dal ghiaccio in crescita. Gli oceanologi lo hanno capito molto tempo fa, quindi hanno inventato un tale sciocco: "". Cosa fa questo calore dopo, che viene calcolato, su scala regionale, in trilioni di chilocalorie - agli oceanologi non interessa più; lascia che gli ingegneri atmosferici si occupino ulteriormente di questo calore. Si potrebbe pensare che gli oceanologi non sappiano che la conduttività termica del ghiaccio è di due ordini di grandezza peggiore di quella dell'acqua. Dove, ci si chiede, si dirigono più e più volte le spedizioni artiche, e cosa ci fanno lì gli idrologi insieme ai meteorologi: stanno ritagliando sculture di ghiaccio, o cosa?

E non c'è bisogno di arrancare nell'Artico per assicurarsi che non ci sia rilascio di calore quando l'acqua si congela. In TV, MythBusters ha mostrato un'esperienza altamente riproducibile. Una bottiglia di birra liquida super raffreddata viene ordinatamente prelevata dal frigorifero. Metti su questa bottiglia e la birra che contiene si congela in scaglie di ghiaccio in pochi secondi. E la bottiglia resta fredda… Questa esperienza ha un enorme potere divulgativo. Parole chiave: "caldo, freddo, bottiglia, birra" - tutto è molto comprensibile. Anche per gli accademici di oggi.

Immagina quanto sia difficile per questi accademici: poiché non c'è "calore di fusione latente", non solo dovrai riscrivere la fisica per la seconda media, ma anche trovare scuse - come alcuni chimici medievali Black e Wilke li hanno ingannati. E come giustificarsi se gli accademici ancora non capiscono il segreto di quel trucco? Ok, te lo mostriamo. Il segreto è che il ghiaccio a 0^oh, dopo averlo mescolato con acqua calda, non ne alza la temperatura: fonde a temperatura costante. E finché non si scioglie completamente, è fonte di raffreddamento: l'acqua a contatto con essa, che era prima calda, diventa calda, poi fredda, poi ghiaccio… con uguali pesi iniziali di ghiaccio a 0^ohC e acqua a 70^ohС, tutta l'acqua risultante sarà a 0^ohC. Il caso, come vedete, è semplice. Ma no, ci chiedono una spiegazione - ma dove, dicono, ha fatto il calore che aveva l'acqua calda? Amici, questa domanda sarebbe pertinente se la legge di conservazione del calore funzionasse in natura. Ma l'energia termica non si conserva: si converte liberamente in altre forme di energia. Di seguito illustreremo che un sistema chiuso è abbastanza in grado di cambiare la sua temperatura - e anche in modi diversi.

E per quanto riguarda una tale trasformazione aggregata della materia come la fusione, è ovvio che non ha bisogno di alcun "calore latente". Riscaldare il campione fino al punto di fusione - e mantenerlo se necessario - e il campione si scioglierà senza assistenza. Coloro che hanno visto il film epico "Il Signore degli Anelli" probabilmente ricordano gli ultimi secondi dell'Anello dell'Onnipotenza. È caduto nella bocca della "montagna sputafuoco" - e ora giace lì, giace … si riscalda, si riscalda … e, infine - un masticare! E invece di un anello - si stanno già diffondendo goccioline. Questa scena ha avuto molto successo per i registi. Pieno senso della realtà!

(Un estratto con un anello può essere visualizzato al link:

L'oro ha una buona conduttività termica e l'anello era minuscolo, quindi si è riscaldato nella sua interezza in una volta. E, immediatamente nell'intero volume, è stato riscaldato fino al punto di fusione - immediatamente e sciolto, senza inutili richieste di calore. A proposito, testimoni oculari del riscaldamento di rottami metallici, ad esempio l'alluminio nei forni a induzione, testimoniano: non si scioglie gradualmente, goccia a goccia - al contrario, i frammenti sporgenti iniziano a galleggiare e fluire immediatamente per tutto il loro volume. Nel caso del ghiaccio, l'assenza di richieste di calore non necessarie per la fusione non è ovvia semplicemente perché la conduttività termica del ghiaccio è molto peggiore di quella dei metalli. Pertanto, il ghiaccio si scioglie gradualmente, goccia dopo goccia. Ma il principio è lo stesso: ciò che viene riscaldato fino al punto di fusione, quindi immediatamente sciolto.

O. Kh. Derevensky

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