المائع الحراري
ميونخ، 1798. يراقب الكونت رمفورد ثقب مواسير المدافع في الترسانة ويطرح سؤالًا حسابيًا. إن كانت الحرارة مادة منتشرة في المعدن فمخزونها محدود، ولا بد أن يكفّ الثقب يومًا عن التسخين. يأخذ مثقابًا كليلًا، ويضع الماسورة في صندوق ماء، فيغلي الماء بعد ساعتين ونصف. يغيّر الماء — فيغلي من جديد.
كان المائع الحراري مادة عديمة الوزن أدرجها لافوازييه في جدوله للمواد البسيطة. وكان يُعتقد أنه يجري من الساخن إلى البارد ويُحفظ في أثناء ذلك. وكانت كميته تُقاس بالسعرات: السعرة تسخّن غرامًا من الماء درجة واحدة. أعطت النظرية جداول صحيحة للسعات الحرارية، بل ونظرية كارنو في الآلات الحرارية. لكن تجربة رمفورد بيّنت أن الحرارة تُستخرج بلا نهاية ما دام الشغل يُبذل.
| الرمز | caloric · calorique · وحدة القياس cal |
| كيف كانوا يحسبون | من كتلة الجليد الذائب وتسخين الماء · Q = c·m·ΔT |
| ما كان مفترضًا | الحفظ: ما خرج من جسم دخل جسمًا آخر |
| الإدخال والتخلي | calorique — لافوازييه، 1789 · تجربة رمفورد — 1798 · المكافئ الميكانيكي — جول، 1843—1850 |
| الكتابة اليوم | الحرارة شكل من أشكال الطاقة، بالجول · 1 cal = 4,184 J · ISO 80000-5 |
| قيم نموذجية | 79,7 cal — لإذابة غرام من الجليد · 540 cal — لتبخير غرام من الماء · 2000 kcal — الحصة اليومية |
01 · التعريف
سائل الحرارة عديم الوزن
بحسب نظام أواخر القرن الثامن عشر، يكمن المائع الحراري في الأجسام ويجري من الدافئة إلى الباردة. جسيماته يتنافر بعضها عن بعض — لذلك تنتشر الحرارة وتتمدد الأجسام عند تسخينها. وتختلف المواد في ما تحمله منه: يحتاج الحديد إلى عُشر ما يحتاجه الماء ليسخن درجة واحدة.
ووجدت الحرارة الكامنة عند بلاك تفسيرًا أيضًا: الجليد الذائب يتلقى مائعًا حراريًا ولا يسخن، فهو إذن يدخل في صورة مقيدة. وقام حساب النظام كله على افتراض واحد — أن المائع الحراري محفوظ. وهذا بالذات ما وجب التخلي عنه. بقيت صيغ السعة الحرارية صالحة، وإنما صارت الحرارة تُعدّ طاقة.
الحرارة على الميزان، بلا محرار
في الوسط عيّنة ساخنة في حجرة من الجليد، ولونها يتبع حرارتها. بالفيروزي الجليد وماء الذوبان الذي يسيل إلى الكأس في الأسفل — ومن كتلته تُحسب الحرارة. الغلاف الخارجي من الجليد أيضًا ويحمي التجربة من دفء الغرفة. والنقاط الكهرمانية هي المائع الحراري كما تخيّلوه: ينتقل من العيّنة إلى الجليد حتى تبرد العيّنة إلى الصفر.
كيف فسّر المائع الحراري كل شيء — حتى بدأوا الثقب
رُسم المائع الحراري هنا كما تخيّلوه: 260 جسيمًا كهرمانيًا من سائل عديم الوزن. في التجارب الثلاث الأولى لا يتغير عددها؛ إنها تنتقل فحسب، أو تمدد الجسم، أو تختبئ في الجليد الذائب. الدوائر المجوّفة مائع حراري مقيد، والطبقة الفيروزية جليد. وفي الرابعة يولّد المثقاب جسيمات جديدة، بيضاء، من العدم — ويتوقف الحساب عن الاستقامة. المنزلق يقود التجربة، والأعداد تحت المشهد تُحسب بالسعرات كما في تلك الأعوام.
الماسورة التي لم تبرد
في الوسط آلة الثقب في الترسانة. تدور الخيول في حلقة، فيدير مِدارها عبر عجلة كبيرة وترس صغير ماسورة برونزية. الماسورة في صندوق ماء، ومثقاب كليل يضغط في تجويفها. بالليلكي الشغل الميكانيكي: النقل والعمود وقدرة الخيول. وبالكهرماني الحرارة التي تولد عند نقطة الاحتكاك: جسيمات تصعد من المثقاب عبر الماء. وبالفيروزي الماء وحرارته. وعلى اليمين شاشة ترسم تسخين الماء، وتحتها حساب المائع الحراري. وبحسب النظرية فإن مخزون الماسورة منه محدود. ويُظهر الشريط كم كان يجب أن ينفد منه حتى الآن. الوقت أسرع 120 مرة: الثانية دقيقتان. إن لم تلمس شيئًا 20 s تبدأ التجارب من تلقاء نفسها.
—
02 · التحويل
| {n} | {v} | {note} |
السعرات أنواع. الحرارية الكيميائية 4,184 J بالضبط، والدولية 4,1868 J، وسعرة الدرجات الخمس عشرة 4,1855 J. الفرق أعشار في المئة. وفي العمل الدقيق يُذكر نوع السعرة — أو يُكتب الجول مباشرة، وهو أفضل.
كانت غرامات الجليد والماء المغلي مقاييس ذلك العصر: هكذا كانت الحرارة تُرى. إذابة غرام من الجليد تكلّف 79,7 cal، وتبخير غرام من الماء عند 100 °C نحو 540 cal. ويحرق البخار أشد من الماء المغلي بسبب هذه الـ540 بالذات.
03 · مراتب العِظَم
04 · أدوات القياس
05 · قواعد الكتابة
06 · الوحدات المجاورة
ذهب المائع الحراري، لكنه ترك إرثًا. استنتج كارنو حدّ الآلات الحرارية وهو يعدّ المائع الحراري محفوظًا — والصيغة صحيحة حتى اليوم. وتبيّن أن الشغل والحرارة كمية واحدة، ومن نسبة الحرارة إلى درجة الحرارة نشأت الإنتروبيا.
07 · القسم التاريخي
لم تُفسد نظرية المائع الحراري قياسًا واحدًا: كان المسعر يقيس الحرارة المنقولة، لا مادة ما. لذلك عاشت جداول السعات الحرارية للافوازييه ولابلاس بعد النظرية. تُخلّي عن افتراض الحفظ وحده، وبقيت الوحدة — السعرة.
عُرّفت السعرة عبر الماء، وكان لها عدة صيغ: عند 15 °C، ومتوسطة من 0 إلى 100 °C، ودولية. وفي عام 1948 أوصى المؤتمر العام للأوزان والمقاييس بالتعبير عن الحرارة بالجول. وبقيت السعرة على عبوات الطعام وفي الكتب القديمة.
فهرس الكميات
الفهرس كله ←الوحدات الأساسية السبع في النظام الدولي
قطرة حمض تغيّر لون العصير، والملح يلوّن اللهب، والماء يتجمد بنقرة. وتحتها كل صفحات Simetrium بحسب المجال وبالترتيب الأبجدي.
افتح الفهرس ←