Cieplik
Monachium, 1798. Hrabia Rumford patrzy, jak w arsenale wierci się lufy armatnie, i stawia pytanie rachunkowe. Jeśli ciepło jest substancją rozlaną w metalu, jego zapas jest skończony i wiercenie kiedyś przestanie grzać. Bierze tępe wiertło, wstawia lufę do skrzyni z wodą i po dwóch i pół godzinach ma wrzątek. Zmienia wodę — znów wrzątek.
Cieplik był nieważką materią, którą Lavoisier wpisał do swojej tabeli substancji prostych. Sądzono, że płynie od gorącego do zimnego i przy tym się zachowuje. Jego ilość mierzono w kaloriach: kaloria ogrzewa gram wody o stopień. Teoria dała poprawne tablice pojemności cieplnych, a nawet teorię maszyn cieplnych Carnota. Ale doświadczenie Rumforda pokazało, że ciepło można uzyskiwać bez końca, jeśli wykonuje się pracę.
| Oznaczenie | caloric · calorique · miara cal |
| Jak liczono | z masy stopionego lodu i ogrzania wody · Q = c·m·ΔT |
| Co zakładano | zachowanie: ile ubyło z jednego ciała, tyle przybyło w drugim |
| Wprowadzenie i odrzucenie | calorique — Lavoisier, 1789 · doświadczenie Rumforda — 1798 · równoważnik mechaniczny — Joule, 1843—1850 |
| Dzisiejszy zapis | ciepło to forma energii, w dżulach · 1 cal = 4,184 J · ISO 80000-5 |
| Typowe wartości | 79,7 cal — stopić gram lodu · 540 cal — odparować gram wody · 2000 kcal — dzienna racja |
01 · Definicja
Nieważka ciecz ciepła
Według systemu końca XVIII wieku cieplik zawarty jest w ciałach i przepływa od ciepłych do zimnych. Jego cząstki odpychają się nawzajem — dlatego ciepło się rozchodzi, a ciała przy ogrzewaniu się rozszerzają. Różne substancje mieszczą cieplik różnie: żelazu trzeba go dziesięć razy mniej niż wodzie, żeby ogrzać się o stopień.
Wyjaśnienie znajdowało też ciepło utajone Blacka: topniejący lód przyjmuje cieplik, ale się nie ogrzewa, więc cieplik wchodzi w postaci związanej. Cały rachunek systemu opierał się na jednym założeniu — że cieplik się zachowuje. Właśnie z niego trzeba było zrezygnować. Wzory na pojemność cieplną pozostały w mocy, tylko ciepło liczy się teraz jako energię.
Ciepło na wadze, bez termometru
W środku gorąca próbka w komorze z lodu; jej barwa zależy od temperatury. Turkusem pokazano lód i wodę z topnienia, która spływa do czarki na dole — z jej masy liczy się ciepło. Zewnętrzny płaszcz też jest z lodu, chroni doświadczenie przed ciepłem pokoju. Bursztynowe punkty to cieplik, tak jak go sobie wyobrażano: przechodzi z próbki do lodu, dopóki próbka nie ostygnie do zera.
Jak cieplik tłumaczył wszystko — dopóki nie zaczęto wiercić
Tu cieplik jest narysowany tak, jak go sobie wyobrażano: 260 bursztynowych cząstek nieważkiej cieczy. W pierwszych trzech doświadczeniach ich liczba się nie zmienia; tylko się przelewają, rozpychają ciało albo chowają się w topniejącym lodzie. Puste kółka to cieplik związany, turkusowa warstwa to lód. W czwartym doświadczeniu wiertło rodzi nowe cząstki, białe, z niczego — i rachunek przestaje się zgadzać. Suwak prowadzi doświadczenie, liczby pod sceną liczone są w kaloriach, jak w tamtych latach.
Lufa, która nie stygła
W środku wiertarka arsenału. Konie chodzą w kółko, ich kierat przez wielkie koło i zębnik obraca brązową lufę. Lufa stoi w skrzyni z wodą, tępe wiertło wciska się w jej przewód. Liliowym pokazano pracę mechaniczną: przekładnię, wał, moc koni. Bursztynowym — ciepło, które rodzi się w miejscu tarcia: cząstki unoszą się od wiertła przez wodę. Turkusowym — wodę i jej temperaturę. Po prawej ekran zapisuje ogrzewanie wody, pod nim rachunek cieplika. Według teorii zapas cieplika w lufie jest skończony. Pasek pokazuje, ile z tego zapasu powinno już ubyć. Czas przyspieszono 120 razy: sekunda to dwie minuty. Jeśli przez 20 s niczego nie dotkniesz, doświadczenia ruszą same.
—
02 · Przeliczanie
| {n} | {v} | {note} |
Kalorii jest kilka. Termochemiczna to dokładnie 4,184 J, międzynarodowa — 4,1868 J, piętnastostopniowa — 4,1855 J. Różnica to dziesiąte części procenta. W dokładnej pracy podaje się rodzaj kalorii, a lepiej pisze się od razu dżule.
Gramy lodu i wrzącej wody to miary tamtej epoki: tak widziano ciepło. Stopienie grama lodu to 79,7 cal, odparowanie grama wody w 100 °C — około 540 cal. Para parzy mocniej niż wrzątek właśnie przez te 540.
03 · Rzędy wielkości
04 · Przyrządy pomiarowe
05 · Zasady zapisu
06 · Jednostki sąsiednie
Cieplik odszedł, ale zostawił spadek. Carnot wyprowadził granicę maszyn cieplnych, uważając cieplik za zachowywany — i wzór jest wciąż prawdziwy. Praca i ciepło okazały się jedną wielkością, a ze stosunku ciepła do temperatury wyrosła entropia.
07 · Dział historyczny
Teoria cieplika nie zepsuła ani jednego pomiaru: kalorymetr mierzył przekazane ciepło, a nie substancję. Dlatego tablice pojemności cieplnych Lavoisiera i Laplace’a przetrwały teorię. Odrzucono tylko założenie o zachowaniu; miarę — kalorię — zachowano.
Kalorię definiowano przez wodę i miała kilka wersji: w 15 °C, średnią od 0 do 100 °C, międzynarodową. W 1948 roku Generalna Konferencja Miar zaleciła wyrażać ciepło w dżulach. Kaloria została na opakowaniach żywności i w starych poradnikach.
Katalog wielkości
cały indeks →Siedem jednostek podstawowych SI
Kropla kwasu zmienia kolor soku, sól barwi płomień, woda zamarza od stuknięcia. Pod nimi wszystkie karty Simetrium według dziedzin i alfabetycznie.
Otwórz indeks →