Чи є теплота субстанцією
Чи є теплота субстанцією?
Тут ми починаємо досліджувати нову керівну ідею, що виникла в галузі теплових явищ. Однак неможливо поділити науку на окремі непов'язані розділи. Насправді ми скоро побачимо, що введені тут нові поняття тісно переплітаються з поняттями вже відомими і з поняттями, які ми ще зустрінемо. Хід думок, розвинений в одній галузі науки, часто може бути застосований до опису явищ, на вигляд абсолютно різних. У процесі початкові поняття часто видозмінюються, щоб просунути розуміння як явищ, у тому числі вони сталися, і тих, яких вони знову застосовані.
Найголовніші поняття в описі теплових явищ – температура та теплота. В історії науки знадобилося надзвичайно багато часу для того, щоб ці поняття були розділені, але коли цей поділ був зроблений, він викликав швидкий прогрес науки. Хоча ці поняття тепер відомі кожному, ми досліджуємо їх докладніше, наголосивши на відмінності між ними.
«Завдяки застосуванню цього інструменту ми дізналися, що якщо ми візьмемо тисячу або більше різних видів речовини, таких як метали, камені, солі, дерево, пір'я, шерсть, вода та різноманітність інших рідин, причому всі вони спочатку будуть різної теплоти, помістимо їх разом в одну і ту ж кімнату без вогню і без сонячного світла, то теплота буде передаватися від гарячішого з цих тіл до холоднішого, можливо, протягом кількох годин або протягом дня, а в кінці цього часу термометр, послідовно доданий до всіх тілам, покаже точно той самий ступінь нагрітості».
Виділене курсивом слово теплота відповідно до теперішньої термінології має замінити словом температура.
Лікар, розглядаючитермометр, за допомогою якого він вимірював температуру хворого, може розмірковувати приблизно так: Термометр показує свою власну температуру довжиною свого ртутного стовпчика. Ми припускаємо, що довжина стовпчика ртутного зростає пропорційно зростанню температури. Але термометр був протягом декількох хвилин у дотику до мого пацієнта, так що і пацієнт, і термометр мають одну і ту ж температуру. Тому я укладаю, що температура мого пацієнта така сама, як і температура, зареєстрована термометром». Лікар, ймовірно, діє механічно, але він застосовує фізичні закони, не розмірковуючи про них.
Але чи містить термометр таку ж кількість теплоти, як і тіло людини? Звичайно, ні. Припустити, що два тіла містять однакову кількість теплоти лише тому, що їхні температури однакові, отже, як зауважив Блек, «триматися дуже поспішного погляду на предмет. Це означає змішування кількості теплоти в різних тілах з її загальною силою чи інтенсивністю, хоча зрозуміло, що це неоднакові речі, які слід розрізняти, коли ми розмірковуємо про розподіл теплоти».
Ця відмінність стає зрозумілою з розгляду дуже простого експерименту. Щоб змінити температуру 1 кг води від кімнатної температури до точки кипіння, потрібен деякий час. Набагато більший час потрібно для нагрівання 12 кг води в тій же посудині на тому ж полум'ї. Ми тлумачимо цей факт як вказівку на те, що тепер потрібно більше «чогось», і це «щось» ми називаємо теплом.
Наступне важливе поняття – питома теплоємність – отримано з такого експерименту: нехай одна посудина містить 1 кг води, а інша – 1 кг ртуті, і нехай обидва нагріваються однаковим чином. Ртуть стане гарячою набагато швидше, ніж вода, тим самимпоказуючи, що потрібно менше «теплоти», щоб підняти температуру ртуті на градус. Взагалі кажучи, для того щоб нагріти на один градус, скажімо, від 4 до 5 ° C, різні речовини, такі як вода, ртуть, залізо, мідь, дерево і т. д., всі однакової маси, потрібні різні кількості теплоти . Ми говоримо, що кожна речовина має свою питому теплоємність.
Прийшовши до поняття теплоти, ми можемо досліджувати його природу ближче. Нехай ми маємо два тіла: одне гаряче, інше холодне, чи, точніше, одне тіло вищої температури, ніж інше. Встановимо між ними контакт та звільнимо їх від усіх інших зовнішніх впливів. Ми знаємо, що в результаті вони досягнуть однієї і тієї ж температури. Але як це виходить? Що відбувається з того часу, коли вони наведені в дотику, до досягнення ними однакової температури? На думку спадає картина течії теплоти від одного тіла до іншого, аналогічно тому, як вода тече з вищого рівня до нижчого. Ця, хоч і примітивна, картина виявляється відповідною до багатьох фактів, так що можна провести аналогію:
Вищий рівень? Вища температура
Нижчий рівень? Нижча температура
Течія триває до того часу, поки обидва рівня, т. е. обидві температури, не зрівняються. Цей наївний погляд можна зробити кориснішим для кількісного розгляду. Якщо змішуються певні маси води та спирту, кожна за певної температури, знання теплоємностей дозволяє передбачити кінцеву температуру суміші. Навпаки, спостереження кінцевої температури і невелике алгебри знання дозволяють нам знайти відношення двох теплоємностей.
Ми приходимо до поняття теплоти, яке тут виявляється схожим на інші фізичні поняття. Згідно з нашим поглядом, теплота — цесубстанція, така сама як і маса в механіці. Її кількість може або змінюватися, або залишатися постійним, подібно до грошей, які можна або відкласти в сейф, або витратити. Кількість грошей у сейфі залишатиметься незмінною доти, доки сейф залишається замкненим; так само будуть постійними кількості маси і теплоти в ізольованому тілі. Ідеальний дорожній термос аналогічний до такого сейфа. Більше того, як маса в ізольованій системі залишається незмінною, навіть якщо відбувається хімічне перетворення, так само і теплота зберігається навіть у тому випадку, коли вона переходить від одного тіла до іншого. Навіть якщо теплота вживається не так на підвищення температури тіла, а, скажімо, на танення льоду чи перетворення води на пару, ми можемо як і думати неї як про субстанції, оскільки можемо знову отримати її за замерзанні води чи конденсації пари. Старі назви - прихована теплота плавлення або випаровування - показують, що ці поняття отримані з уявлення про тепло як субстанцію. Прихована теплота тимчасово ховається, подібно до грошей, покладених у сейф, але її можна використовувати, якщо відомий замикаючий механізм.
Але теплота, зрозуміло, не субстанція у тому сенсі, як маса. Масу можна зважити на терезах, а чи можна зважити теплоту? Чи важить шматок заліза більше, коли він до червоного нагрітий, порівняно з тим, коли він холодний як лід? Експеримент показує, що ні. Якщо теплота – субстанція, то вона невагома субстанція. "Теплова субстанція" зазвичай називалася теплородом; через нього ми вперше знайомимося з цілим сімейством невагомих субстанцій. Пізніше ми матимемо нагоду простежити історію цього сімейства, його піднесення та падіння. Тепер досить відзначити зародження окремого члена цього сімейства.
Мета будь-якої фізичної теоріїпояснити максимально широку сферу явищ. Вона виправдовується остільки, оскільки робить події зрозумілими. Ми бачили, що субстанційна теорія теплоти пояснює багато теплових явищ. Однак скоро стане очевидним, що це знову хибна ідея, що теплоту не можна вважати субстанцією, хоч би й невагомою. Це ясно, якщо згадати про деякі прості експерименти, що відзначили початок цивілізації.
Про субстанцію ми думаємо як щось, що ніколи не може бути ні створено, ні зруйновано. Однак первісна людина за допомогою тертя створила теплоту, достатню для того, щоб запалити дерево. Приклади нагрівання за допомогою тертя дуже численні і добре відомі, щоб про них потрібно було розповідати. У всіх цих випадках створюється деяка кількість теплоти - факт, що важко пояснити з точки зору субстанційної теорії. Правильно, що захисник цієї теорії може вигадати доводи з метою пояснити цей факт. Його міркування має бути приблизно таке: «Субстанційна теорія може пояснити видиме створення теплоти. Візьмемо найпростіший приклад, коли два шматки дерева труться одне про одного. Так ось, тертя – це щось таке, що впливає на дерево та змінює його властивості. У цьому властивості змінюються отже постійне кількість теплоти має створювати вищу температуру, ніж раніше. Зрештою, єдине, що ми помічаємо, це підвищення температури. Можливо, що тертя змінює теплоємність дерева, а не загальну кількість теплоти.
У цій стадії обговорення було б марним сперечатися із захисником субстанційної теорії; це питання, яке може бути вирішене лише експериментально. Уявімо два однакові шматки дерева і припустимо, що температура їх змінена однаково, але різними методами: в одному випадку, наприклад,шляхом тертя, а в іншому - за допомогою зіткнення з грубкою. Якщо обидва шматки мають однакову теплоємність за нової температури, то руйнується вся субстанційна теорія. Є дуже прості методи визначення теплоємностей і доля цієї теорії залежить від результату саме таких вимірювань. В історії фізики часто зустрічається таке випробування, яке здатне виголосити вирок про життя чи смерть теорії; воно називається experimentum crucis. Рішенням суду такого експерименту може бути виправдана лише одна теорія явищ. Визначення питомих теплоємностей двох тіл одного й того ж роду, нагрітих до однакової температури відповідно тертям або тепловим потоком, є типовим прикладом такого вирішального експерименту. Цей експеримент був зроблений близько 140 років тому Румфордом; він завдав смертельного удару субстанційної теорії теплоти. У доповіді Румфорда ми читаємо:
«Часто трапляється, що звичайні життєві справи та заняття надають нам можливості спостереження деяких найцікавіших процесів природи; дуже цікаві фізичні експерименти нерідко можна зробити без особливих турбот чи витрат за допомогою механізму, придуманого для виконання простих механічних завдань у ремеслах та виробництві.
У мене дуже часто були випадки для подібних спостережень, і я переконувався, що звичка швидко реагувати на все, що зустрічається у звичайному ході ділового життя, наводила, так би мовити, випадково чи вільною грою уяви, що виникає під впливом роздумів над звичайними явищами. корисним сумнівам і розумним планам дослідження та вдосконалення набагато частіше, ніж усі найнапруженіші роздуми фізиків у години, спеціально відведені для наукових занять.
Нещодавно, будучи зобов'язаним спостерігати за свердлінням гарматмайстерень військового арсеналу в Мюнхені, я був здивований дуже значним ступенем теплоти, яку набувала мідна гармата за короткий час свердління; ще інтенсивніше (набагато інтенсивніше, ніж теплота киплячої води, як я виявив досвідом) була теплота металевих стружок, відокремлених від гармати при свердлінні.
Звідки надходить теплота, фактично вироблена у вищезгаданому механічному процесі?
Чи доставляється вона металевими стружками, які відокремлюються під час свердління від твердої маси металу?
Якби це було так, то, згідно з сучасним вченням про приховану теплоту і про теплороді, теплоємність їх не тільки мала змінитися, але сама зміна ця повинна бути досить велика, щоб пояснити всю вироблену теплоту.
Але жодної такої зміни не було; я виявив це, взявши рівні за вагою кількості цих стружок, а також тонких смужок тієї ж металевої болванки, відокремлених дрібною пилкою, і поклавши їх при однаковій температурі (температурі киплячої води) в посудини з холодною водою, взятої в однакових кількостях (наприклад, при температурі 59,5° за Фаренгейтом); вода, в яку були покладені стружки, зважаючи на все, не нагрілася більше або менше, ніж інша частина води, в яку були покладені смужки металу».
Нарешті ми підходимо до висновку Румфорда:
«Обговорюючи цей предмет, ми не повинні забувати обліку тієї самої чудової обставини, що джерело теплоти, породженої тертям, виявилося в цих експериментах явно невичерпним.
Цілком необхідно додати, що це щось, яке будь-яке ізольоване тіло або система тіл може безперервно постачати без обмеження, не може бути матеріальною субстанцією; і мені здається надзвичайно важким, якщо не зовсім неможливим, створити яку-або точну ідею про щось, що може порушуватися і передаватися подібно до того, як порушується і передається у цих експериментах теплота, а то й припустити, що це «щось» є рух».
Таким чином, ми бачимо руйнування старої теорії або, щоб бути більш точними, бачимо, що субстанційна теорія обмежується завданнями потоку тепла. І знову, як зазначив Румфорд, ми маємо шукати нові ідеї. Щоб зробити це, залишимо на якийсь час проблему теплоти і повернемося до механіки.