Догонялки с теплотой

Автор с большим юмором рассказывает о том, как нас с детства кормят наукообразными сказками. Самые простые вещи вместо дельного объяснения преподносятся учёными как религиозные догмы.

«Сегодня правильные представления о теплоте дети усваивают уже в седьмом классе».

(Из сборника «Шутки больших учёных»)

…Палимая Солнцем казахстанская степь. Учёные из небольшой экспедиционной группы, вытирая пот, наблюдают за сайгаками. Эти учёные проводят ответственное научное исследование. Они хотят на опыте подтвердить слова академика Тимирязева: «Все проявления энергии в организме должны быть прослежены до какого-нибудь известного её физического или химического источника… Мышечная работа, животная теплота происходят за счёт потенциальной энергии, заключённой в органическом веществе, принятом в пищу».

Методика у наших учёных – проще некуда. Они отслеживают, сколько травы поедают животные в естественных условиях. Калорийность этого корма – т.е. количество теплоты, которая выделяется при сжигании его в калориметре – учёным уже известна. Остаётся лишь сопоставить количество этой «потенциальной энергии», заключённой в пище сайгака, с работой, которую производят его мышцы по ходу жизни.

Но… чем дольше учёные наблюдали, тем тоскливее им становилось. Понимаете, эти сайгаки были какие-то неправильные. Маловато они жрали – количество калорий их пайка оказывалось в разы меньше, чем энергозатраты их мышц. Жировые запасы здесь были не при чём – какие вам жировые запасы летом? Самое обидное, что сайгаки опрокидывали все «научно обоснованные нормы»: калорийности их пищи явно не хватало на жизнь, а они выглядели вполне жизнерадостно… Вот очаровательная сайгачка, подмигнув учёным, изящно задрала хвостик и выдала очередную порцию какашек. «Видали, что вытворяет? – не выдержал один наблюдатель. – Издевается над нами, жвачная тварь!» - «Успокойтесь, коллега! – отозвался второй. – Наоборот, она нам подсказывает: мы не довели эксперимент до конца! Вот это… сено, пропущенное через корову – оно, высушенное, тоже горит! Местные жители используют его как топливо!» - «Вы хотите сказать, коллега, что у этого… этого самого… тоже есть калорийность?» - «Именно! И мы её измерим!»

Сказано – сделано. Невесело пришлось калориметру, когда в нём жгли какашки – но уж ради науки пришлось потерпеть. Впрочем, ещё невеселее пришлось исследователям, когда они убедились в том, что калорийность какашек такая же, как и калорийность исходного корма. Выходило, что на уровне тимирязевской «потенциальной энергии, заключённой в органическом веществе», животное не только потребляет гораздо меньше, чем требуется для работы его мышц, но и выделяет столько же, сколько потребляет. Т.е., на работу мышц не остаётся совсем ничего. Наши учёные отлично понимали, что такие любопытные выводы – не для их отчётов. Поэтому они посыпали себе волосы пеплом – тех самых сожжённых какашек – этим дело и закончилось.

И до сих пор ситуация в вопросе о «калорийности пищи» - это висяк какой-то. Если вы спросите диетологов о том, сколько калорий в день следует потреблять с пищей, чтобы «гарантированно похудеть за две недели», то они вам всё подробно разъяснят – причём, недорого возьмут и глазом не моргнут. Работа у них такая… Но спрашиваем академиков: откуда берутся калории, на которых сайгаки ходят, жуют, хвостики задирают? А академики очень не любят этот вопрос. Уж больно он для них неудобный. Максимум, чего от них добьёшься – это апелляции к тому, что живые организмы, мол, это сложнейшие высокоорганизованные системы, а потому они, мол, ещё недостаточно изучены. Так вы, дяденьки, в рамках изучения живых организмов, что ли, помалкиваете о результатах калориметрических измерений, подобных вышеописанным? Или вы боитесь, что краснеть придётся, когда над вами будут смеяться дети? Хорошо, вот для вас испытанное народное средство: свёклой морды себе натрите – если покраснеете, не так заметно будет.

Как академики дошли до жизни такой? Ладно, пусть одушевлённые организмы – это для них слишком сложно. Но в неодушевлённом-то веществе, которое подвержено действию только физических и химических законов – тут-то вопросы с калориями должны быть совершенно прозрачны? Речь ведь идёт не о тех явлениях, которые обнаруживаются на ускорителях и коллайдерах. Речь идёт о явлениях, которые любой желающий может воспроизвести у себя на кухне. Казалось бы, колоссальный практический опыт должен был отлиться в совершенно ясные представления о теплоте. Но мы расскажем, во что этот опыт отлился на самом деле.

Ещё античные философы в вопросе о природе теплоты делились на два лагеря. Одни полагали, что теплота – это самостоятельная субстанция; чем её больше в теле, тем оно теплее. Другие полагали, что теплота – это проявление некоторого свойства, присущего веществу: при том или ином состоянии вещества тело холоднее или теплее. В средние века доминировала первая из этих концепций, что легко объяснимо. Представления о строении вещества на атомарном и молекулярном уровнях были тогда совершенно неразвиты – и поэтому было загадкой то свойство вещества, которое могло бы отвечать за теплоту. Философы, в подавляющем большинстве своём, не заморачивались в попытках отыскать это загадочное свойство – а, ведомые стадным инстинктом, придерживались удобной концепции о теплоте, как о «теплотворной материи».

Ох, как же цепко они её придерживались – до судорог в хватательных мышцах. Вникайте: теплотворная материя, как бы, передаётся от горячих тел к холодным при их контакте. Чем больше теплотворной материи в теле, тем выше температура тела. А что такое температура? А это как раз мера содержания теплотворной материи. Если теплотворная материя передаётся справа налево, то справа температура выше. И наоборот. Если же теплотворная материя не передаётся ни направо, ни налево, то температуры справа и слева одинаковые. Пусть понятия «теплотворная материя» и «температура» получались связаны логическим порочным кругом, зато в остальном всё было изумительно. Можно было даже делать практические выводы: чтобы нагреть тело, нужно добавить в него теплотворной материи – по сравнению с тем, которая у него уже имеется. А для такого добавления требуется более нагретое тело, иначе теплотворная материя не передастся. Блеск! На основе этих представлений делались работающие тепловые машины! Был даже сформулирован принцип неуничтожимости теплотворной материи, т.е., фактически, закон сохранения теплоты!

Конечно, сегодня нам легко рассуждать о наивности этих средневековых закидонов. Сегодня-то мы знаем, что теплота – это одна из форм энергии, а закон сохранения энергии не работает для какой-то одной из её форм. Этот закон работает для энергии в целом – с учётом того, что одни формы энергии могут превращаться в другие. Но в ту эпоху, когда неотъемлемой частью Мироздания считалась теплотворная материя, принцип её неуничтожимости, из-за претензий на Вселенский размах, приводил философов в благоговейный трепет. Для экспериментального подтверждения этого принципа – правда, не во вселенских, а в локальных масштабах – изобрели и ввели в обиход эти коробчонки с двойным дном, называемые калориметрами.

Поразительно: по ходу научно-технического прогресса, от механических секундомеров перешли сначала к кварцевым, а затем и к атомным часам, от землемерных лент перешли к лазерным дальномерам, а затем и к GPS-приёмникам – и только калориметры оказались совершенно незаменимыми в деле прямого определения тепловых эффектов. До сих пор калориметры служат своим пользователям верой и правдой: пользователи в них верят и думают, что с их помощью знают правду. А в средние века на них молились, берегли их от сглаза, и даже окуривали ладаном – что, впрочем, мало помогало. Вот, смотрите: исследуемый процесс протекал в стаканчике с теплопроводящими стенками, который находился внутри большого стакана, заполненного буферным веществом. Если при исследуемом процессе теплотворная материя выделялась или поглощалась, то температура буферного вещества, соответственно, повышалась или понижалась. Измеряемой величиной в обоих случаях являлась разность температур буферного вещества до и после исследуемого процесса – эта разность определялась с помощью термометра. Вуаля! Правда, быстро обнаружилось небольшое затруднение. Повторяли измерения при одном и том же исследуемом процессе, но с разными буферными веществами. И оказалось, что одинаковые веса разных буферных веществ, приобретая одно и то же количество теплотворной материи, нагреваются на разные количества градусов. Недолго думая, тепловых дел мастера ввели в науку ещё одну характеристику веществ – теплоёмкость. Это совсем просто: теплоёмкость больше у того вещества, которое вмещает больше теплотворной материи для того, чтобы, при прочих равных условиях, нагреться на одинаковое количество градусов. Стойте, стойте! Тогда, чтобы определить тепловой эффект калориметрическим способом, требуется заранее знать теплоёмкость буферного вещества! А откуда это знать? Тепловых дел мастера, не напрягаясь, дали ответ и на этот вопрос. Они быстро смекнули, что их коробчонки являются приборами двойного назначения, которые пригодны для измерения не только тепловых эффектов, но и теплоёмкостей тоже. Ведь если вы измеряете разность температур буферного вещества и знаете количество поглощённой им теплотворной материи, то искомая теплоёмкость – у вас на блюдечке! Так и повелось: тепловые эффекты измеряли на основе знания теплоёмкостей, а теплоёмкости узнавали на основе измерений тепловых эффектов. И если кто-то, не по злому умыслу, а чисто из любознательности, спрашивал: «А что вы измерили сначала – теплоту или теплоёмкость?» - то ему отвечали в таком духе: «Слушай, умник, а что было сначала – курица или яйцо?» - и умник понимал, что не надо задавать дурацкие вопросы.

Короче: если не задавать дурацких вопросов, то всё было распрекрасно в калориметрическом методе, за исключением одного нюанса. Этот метод с самого начала был основан на ключевом постулате о том, что теплотворная материя способна перетекать только от более нагретых тел к менее нагретым. Тогда никто ещё не додумался до простой вещи: если этот ключевой постулат верен, то со временем температуры всех тел выровняются – и, как говорится, аминь. Впрочем, если кто и додумался бы, то ему резонно возразили бы, что Божий замысел не может вмещать такой глупости – и на этом все бы успокоились.

Словом, концепция теплотворной материи в науке уютно пригрелась. Поэтому наш Ломоносов, со своей деревенской простотой, в эту идиллию не вписался. Он ведь не придерживался тех или иных концепций, он их исследовал – и предлагал взамен более адекватные. В «Размышлениях о причине теплоты и холода» (1744) Ломоносов достаточно ясно сформулировал причину теплоты – которая заключается «во внутреннем движении» частичек тела. Кстати, он сразу же сделал феноменальный вывод: «должна существовать наибольшая и последняя степень холода, состоящая в полном покое частичек». Сегодня используется более высоконаучный термин – «абсолютный нуль температуры», но имя Ломоносова при этом не упоминается. Он ведь имел неосторожность разгромить концепцию теплотворной материи! Так, он писал, что философы не показали – «чем именно теплотворная материя вдруг загоняется в нагреваемые тела». «Спрашиваю: каким образом в самую холодную зиму, когда всюду лютый мороз, …порох, зажжённый малейшей внезапно проскочившей искрою, вспыхивает вдруг огромным пламенем. Откуда и в силу какой удивительной способности материя эта собирается в один момент времени?» Если бы у философов были тогда в ходу методы квантовой механики, они бы придумали какую-нибудь «редукцию тепловой функции». Хотя, при всём «средневековом мракобесии», считалось неприличным так откровенно идиотничать – это стало обычным делом лишь в ХХ веке. Ждать было ещё долго… А Ломоносов разобрал следующее заблуждение – насчёт весомости «теплотворной материи». «Философами, а особенно химиками, принимается, что этот блуждающий огонь показывает своё присутствие в телах не только увеличением объёма их, но и увеличением веса. Весьма известный Роберт Бойль… доказал на опыте, что тела увеличиваются в весе при обжигании». Увы, известный Роберт Бойль начудил: при обжигании металла, на нём образуется окалина, и вес образца увеличивается – но за счёт вещества, присоединённого в результате окислительной реакции. «Хотя окалины, удалённые из огня, сохраняют приобретённый вес даже на самом лютом морозе, однако они не обнаруживают в себе какого-либо избытка теплоты. Следовательно, при процессе обжигания к телам присоединяется некоторая материя, только не та, которая приписывается собственно огню… Далее, металлические окалины, восстановленные до металлов, теряют приобретённый вес», причём, «восстановление, так же как и прокаливание, производится тем же – даже более сильным – огнём». Но Ломоносов проделал ещё и контрольные «опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы иссследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропускания внешнего воздуха вес сожженного металла остаётся в одной мере».

По сравнению с этими убийственными доводами, всё учение о теплотворной материи было детским лепетом – это понимали даже подмастерья в химических лабораториях. Но академические мэтры не признавали правоту Ломоносова – они мудро хранили гробовое молчание. «По делу нам возразить нечего, - прикидывали они. – Но не может же такого быть, что мы все дураки, а он один – гений». Причём, эта мысль навязчиво приходила во все академические головы. Хотя академики не сговаривались, внешне это проявлялось как стопудовый мировой заговор. И это всё были честнейшие и благороднейшие люди. Как на подбор – один другого честнее и благороднее. Честный на честном ехал и благородным погонял.

Взять хотя бы Эйлера, который считался другом Ломоносова. Когда Парижская Академия наук объявила конкурс на лучшую работу о природе теплоты, то выиграл конкурс и получил премию Эйлер, который в представленной работе писал: «То, что теплота заключается в некотором движении малых частиц тела, теперь уже достаточно ясно» (1752). Но этот случай с Эйлером был исключением. Остальные «честные и благородные» помалкивали и терпеливо ожидали кончины Ломоносова (1765). И лишь после этого, выждав для верности ещё семь лет, они снова завели свою шарманку про теплотворную материю. Понимаете, признавать правоту Ломоносова было никак нельзя. Вот если бы он сделал какую-нибудь малость – например, разоблачил заблуждения того же Бойля, и всё – то был бы сейчас в учебниках закон Ломоносова, как есть закон Бойля-Мариотта. А Ломоносов увлёкся и перелопатил всю тогдашнюю науку. Согласитесь, не писать же в учебниках «первый закон Ломоносова», «второй закон Ломоносова», и т.д. – когда счёт идёт на многие десятки! Ученики запутаются! Вот почему свежие экспериментальные факты, которые можно было истолковать в духе теплотворной материи, прошли «на ура».

А факты вон какие. В те времена у естествоиспытателей была мода: смешивать такое-то количество холодной воды с таким-то количеством горячей – и определять результирующую температуру смеси. Опыт подтверждал формулу Рихмана: значение температуры было средним взвешенным – в частном случае, при равных количествах холодной и горячей воды, оно было средним арифметическим. И вот: химик Блэк, а затем ещё и химик Вильке, затеяли проверить формулу Рихмана для случая смешивания горячей воды не с холодной водой, а со льдом – решив, что, в точке плавления, «что лёд, что вода – одна лабуда». Результат вышел – сегодня это можно точно сказать – совершенно умопомрачительный. Конечная температура воды для случая исходных равных весов льда при 0^оС и воды при 70^оС оказалась равной далеко не среднему арифметическому – она оказалась равной 0^оС. Умопомрачительно? А то! Умы помрачились настолько, что с восторгом отдались концепции о «скрытой теплоте плавления льда». По этой концепции, для расплавления льда мало нагреть его до температуры плавления, на что потребуется сообщение ему некоторого количества теплотворной материи, в соответствии с его теплоёмкостью – ещё потребуется впендюрить в лёд дополнительное огромное количество теплотворной материи, которая пойдёт на само плавление. Правда, при плавлении, температура льда не изменяется, и термометры не реагируют на эту дополнительную теплотворную материю – оттого теплота плавления и называется «скрытой». Всё продумано! А, главное, опытом подтверждается: куда, мол, уходит запас тепла воды при 70^оС, если не на плавление льда?! Так и нашли численное значение его скрытой теплоты плавления. Академики плакали от радости – закрывая глаза на то, что логика Блэка и Вильке работает при непременном предварительном допущении: количество теплоты в природе сохраняется. При этом бредовом допущении, результаты Блэка и Вильке, действительно, подтверждали наличие теплотворной материи. Всё понеслось по новой. Впрочем, старания Ломоносова не пропали даром: теперича теплотворной материи приписали такое специфическое свойство, как отсутствие веса – иначе, в самом деле, смешно получалось. И вышел у них, вместо теплотворной материи, невесомый теплотворный флюид, для которого подобрали меткое название: теплород. И стало у них всё краше прежнего.

Мы почему об этом – так подробно? Потому что полезно знать, как в физике появилась эта дичь про скрытые теплоты агрегатных превращений – которая до сих пор считается научной истиной. Придётся сказать пару слов про «научность» этой «истины».

Представьте: во внутреннем стаканчике калориметра находятся вода и лёд – в тепловом равновесии друг с другом и с буферным веществом. Ничтожное повышение температуры, до т.н. точки ликвидуса – и фазовое равновесие между льдом и водой нарушится: лёд начнёт таять. Откуда будет заимствоваться тепло на это таяние? Из буферного вещества, что ли? Но тогда его температура понизится, и поток тепла «на таяние» прекратится. На самом же деле, лёд растает весь, а температура так и останется в точке ликвидуса. Скандал!

Может, сегодняшние академики считают этот результат каким-то досадным исключением, поскольку в остальных случаях, мол, концы с концами отлично сходятся – например, при расчётах теплового баланса звезды тау-Кита. Нет, любезные, «исключением» вы здесь не отделаетесь. По-вашему, образование льда на открытых водоёмах тоже должно сопровождаться тепловым эффектом – только теперь та самая «теплота плавления» должна выделяться. Вы, любезные, давали себе труд прикинуть – к каким результатам это должно приводить? Лёд нарастает снизу, а теплопроводность у льда на два порядка хуже, чем у воды. Поэтому, практически, вся «теплота плавления» должна выделяться в воду подо льдом. Если подставить справочные величины в простейшее уравнение теплового баланса для рассматриваемого случая, то получится, что образование слоя льда толщиной 1 мм вызывало бы нагрев прилегающего слоя воды толщиной 1 мм на 70 градусов (а слоя воды в 0.5 мм – аж на 140 градусов; правда, уже при 100^оС началось бы кипение). Как вам этот результатец, любезные? Может, вы скажете, что мы напрасно не учли тепловое перемешивание воды? Ведь, в интервале от 0^о до 4^оС, более тёплая вода опускается, а более холодная – поднимается. У, какая! Но, даже в условиях такого перемешивания, при наличии на поверхности воды источника тепла, вода наверху была бы теплее, чем внизу. На самом же деле, типичный арктический профиль температуры в воде подо льдом таков: контактирующая со льдом вода имеет температуру, близкую к точке замерзания, а, по мере увеличения глубины (в пределах некоторого слоя), температура увеличивается. Это с очевидностью свидетельствует: нет потока тепла в воду от льда, даже от растущего. Океанологи это давно сообразили, поэтому они изобрели такую дурилочку: «тепло кристаллизации… уходит через лёд в атмосферу». Что дальше вытворяет это тепло, которое исчисляется, в региональных масштабах, триллионами килокалорий – это океанологов уже не волнует; пусть дальше с этим теплом атмосферщики разбираются. Можно подумать, будто океанологи не знают, что теплопроводность у льда на два порядка хуже, чем у воды. Куда же, спрашивается, раз за разом прутся арктические экспедиции, и чем там занимаются гидрологи вместе с метеорологами – ледяные скульптуры выпиливают, что ли?

Да и не нужно тащиться в Арктику, чтобы убедиться в отсутствии выделения тепла при замерзании воды. В телепрограмме «Разрушители легенд» демонстрировали хорошо воспроизводимый опыт. Из холодильника аккуратненько берётся бутылка переохлаждённого жидкого пива. Тюкнешь по этой бутылке – и пиво в ней за несколько секунд замерзает в ледяные хлопья. А бутылка остаётся холодной… У этого опыта – потрясающая популяризаторская сила. Ключевые слова: «тепло, холод, бутылка, пиво» - всё очень доходчиво. Даже – для нынешних академиков.

Представляете, как этим академикам тяжело: раз никакой «скрытой теплоты плавления» нет, то придётся не только переписывать физику для седьмого класса, но и оправдываться – как это их обвели вокруг пальца какие-то средневековые химики Блэк и Вильке. А как оправдываться, если секрет того фокуса академики до сих пор не понимают? Ладно уж, подскажем. Секрет в том, что лёд при 0^о, после смешения его с горячей водой, не повышает свою температуру: он тает при постоянной температуре. И, пока он не растает весь, он является источником охлаждения: контактирующая с ним вода, которая сначала была горячей, становится тёплой, потом прохладной, потом ледяной… при равных стартовых весах льда при 0^оС и воды при 70^оС, вся результирующая вода окажется при 0^оС. Дело, как видите, нехитрое. Но нет, от нас требуют объяснений – а куда же, мол, делось тепло, которое было у горячей воды? Друзья, этот вопрос был бы уместен, если в природе работал бы закон сохранения тепла. Но тепловая энергия не сохраняется: она свободно конвертируется в другие формы энергии. Ниже мы проиллюстрируем, что замкнутая система вполне способна изменить свою температуру – да ещё разными способами.

А что касается такого агрегатного превращения вещества, как плавление, то с очевидностью получается, что ни в какой «скрытой теплоте» оно не нуждается. Нагрей образец до температуры плавления – да поддерживай её, если требуется – и образец расплавится уже без посторонней помощи. Те, кто смотрели киноэпопею «Властелин колец» - наверное, помнят последние секунды Кольца Всевластья. Оно упало в жерло «огнедышащей горы» – и вот оно лежит там, лежит… нагревается, нагревается… и, наконец – чавк! И вместо кольца – уже растёкшиеся капельки. Эта сценка создателям фильма очень удалась. Полное ощущение реальности!

(Отрывок с кольцом можно посмотреть по ссылке: <noindex>https://www.youtube.com/watch?v=usOU2OxibcY&feature=player_detailpage#t=143s</noindex> )

У золота хорошая теплопроводность, да и колечко было махонькое, поэтому оно прогревалось сразу во всём своём объёме. А, сразу во всём объёме нагрелось до температуры плавления – сразу и расплавилось, без лишних тепловых запросов. Кстати, очевидцы нагрева в индукционных печах металлического лома, например, алюминиевого, свидетельствуют: он не плавится постепенно, по капельке – наоборот, торчащие фрагменты начинают плыть и течь сразу по всему своему объёму. В случае льда отсутствие лишних тепловых запросов на таяние неочевидно просто потому, что теплопроводность льда гораздо хуже, чем у металлов. Поэтому лёд и тает постепенно, по капельке. Но принцип тот же: что нагрелось до температуры плавления – то тут же и расплавилось.

О.Х.Деревенский

<noindex>Читать полностью</noindex>