Calorisch fluïdum
München, 1798. Graaf Rumford kijkt in het arsenaal hoe kanonslopen worden geboord en stelt een rekenvraag. Als warmte een stof is die in het metaal zit, dan is de voorraad eindig en moet het boren ooit ophouden met verwarmen. Hij neemt een botte boor, zet de loop in een bak water en heeft na tweeënhalf uur kokend water. Hij ververst het water — weer kokend.
Warmtestof was een gewichtloze materie die Lavoisier in zijn tabel van enkelvoudige stoffen opnam. Men dacht dat het van heet naar koud stroomde en daarbij behouden bleef. De hoeveelheid mat men in calorieën: een calorie verwarmt een gram water één graad. De theorie leverde juiste tabellen van warmtecapaciteiten op en zelfs Carnots theorie van warmtemachines. Maar Rumfords proef liet zien dat je zonder einde warmte kunt krijgen, zolang er arbeid wordt verricht.
| Aanduiding | caloric · calorique · maat cal |
| Hoe men mat | naar de massa gesmolten ijs en de opwarming van water · Q = c·m·ΔT |
| Wat werd aangenomen | behoud: wat het ene lichaam verliet, kwam in het andere aan |
| Invoering en afschaffing | calorique — Lavoisier, 1789 · Rumfords proef — 1798 · mechanisch equivalent — Joule, 1843—1850 |
| Huidige schrijfwijze | warmte is een vorm van energie, in joule · 1 cal = 4,184 J · ISO 80000-5 |
| Typische waarden | 79,7 cal — een gram ijs smelten · 540 cal — een gram water verdampen · 2000 kcal — dagrantsoen |
01 · Definitie
De gewichtloze vloeistof van de warmte
Volgens het stelsel van de late achttiende eeuw zit warmtestof in de lichamen en stroomt het van warme naar koude. De deeltjes stoten elkaar af — daarom verspreidt warmte zich en zetten lichamen bij verwarming uit. Stoffen bevatten warmtestof verschillend: ijzer heeft tien keer minder nodig dan water om één graad warmer te worden.
Ook Blacks latente warmte kreeg een verklaring: smeltend ijs neemt warmtestof op maar wordt niet warmer, dus komt het gebonden binnen. De hele rekensom van het stelsel rustte op één aanname — dat warmtestof behouden blijft. Juist die moest worden opgegeven. De formules voor warmtecapaciteit bleven geldig; alleen telt warmte nu als energie.
Warmte op de weegschaal, zonder thermometer
In het midden een heet monster in een kamer van ijs; de kleur hangt af van de temperatuur. Turkoois zijn het ijs en het smeltwater, dat in het bakje onderaan loopt — uit de massa daarvan volgt de warmte. De buitenmantel is ook van ijs en schermt de proef af van de warmte van de kamer. Amberkleurige stippen zijn het warmtestof zoals men het zich voorstelde: het gaat van het monster naar het ijs tot het monster tot nul is afgekoeld.
Hoe warmtestof alles verklaarde — tot men begon te boren
Hier is warmtestof getekend zoals men het zich voorstelde: 260 amberkleurige deeltjes van een gewichtloze vloeistof. In de eerste drie proeven verandert hun aantal niet; ze stromen alleen over, zetten het lichaam uit of verstoppen zich in smeltend ijs. Holle cirkels zijn gebonden warmtestof, de turkooizen laag is ijs. In de vierde proef laat de boor nieuwe deeltjes ontstaan, witte, uit het niets — en de telling klopt niet meer. De schuif stuurt de proef; de getallen onder de scène zijn in calorieën gerekend, zoals toen.
De loop die niet afkoelde
In het midden de boormachine van het arsenaal. Paarden lopen in een kring; hun rosmolen draait via een groot wiel en een rondsel een bronzen loop. De loop staat in een bak water en een botte boor drukt in de ziel. Lila toont de mechanische arbeid: overbrenging, as, vermogen van de paarden. Amber is de warmte die in het wrijvingspunt ontstaat: deeltjes stijgen van de boor op door het water. Turkoois zijn het water en de temperatuur ervan. Rechts tekent een scherm de opwarming van het water, met daaronder de telling van het warmtestof. Volgens de theorie is de voorraad warmtestof in de loop eindig. De balk toont hoeveel van die voorraad er al uit had moeten zijn. De tijd loopt 120 keer sneller: een seconde is twee minuten. Raak je 20 s niets aan, dan lopen de proeven vanzelf.
—
02 · Omrekening
| {n} | {v} | {note} |
Er zijn meerdere calorieën. De thermochemische is precies 4,184 J, de internationale 4,1868 J, die van 15 graden 4,1855 J. Het verschil is tienden van een procent. Bij nauwkeurig werk geeft men de soort calorie op — of schrijft men liever meteen joule.
Grammen ijs en kokend water waren de maten van dat tijdperk: zo zag men warmte. Een gram ijs smelten kost 79,7 cal, een gram water bij 100 °C verdampen ongeveer 540 cal. Stoom brandt erger dan kokend water juist door die 540.
03 · Ordes van grootte
04 · Meetinstrumenten
05 · Schrijfregels
06 · Naburige eenheden
Warmtestof is verdwenen, maar het liet een erfenis na. Carnot leidde de grens van warmtemachines af door warmtestof als behouden te beschouwen — en de formule klopt nog steeds. Arbeid en warmte bleken één grootheid, en uit de verhouding van warmte tot temperatuur groeide de entropie.
07 · Historisch deel
De warmtestoftheorie bedierf geen enkele meting: de calorimeter mat overgedragen warmte, geen stof. Daarom overleefden de tabellen van warmtecapaciteiten van Lavoisier en Laplace de theorie. Alleen de aanname van behoud werd opgegeven; de maat — de calorie — bleef.
De calorie werd via water gedefinieerd en kende meerdere versies: bij 15 °C, gemiddeld van 0 tot 100 °C, internationaal. In 1948 beval de Algemene Conferentie voor Maten en Gewichten aan warmte in joule uit te drukken. De calorie bleef op voedselverpakkingen en in oude handboeken.
Catalogus van grootheden
de hele index →De zeven SI-basiseenheden
Een druppel zuur verandert de kleur van het sap, zout kleurt de vlam, water bevriest door een tik. Daaronder alle bladen van Simetrium, per vakgebied en alfabetisch.
Index openen →