Теплород
Мюнхен, 1798 год. Граф Румфорд смотрит, как в арсенале сверлят пушечные стволы, и задаёт счётный вопрос. Если тепло — вещество, разлитое в металле, то его запас конечен, и сверление однажды перестанет греть. Он берёт тупое сверло, ставит ствол в ящик с водой и через два с половиной часа получает кипяток. Меняет воду — снова кипяток.
Теплород — невесомая материя, которую Лавуазье внёс в таблицу простых веществ. Считалось, что она перетекает от горячего к холодному и при этом сохраняется. Количество её мерили калориями: калория нагревает грамм воды на градус. Теория дала верные таблицы теплоёмкостей и даже теорию тепловых машин Карно. Но опыт Румфорда показал, что теплоту можно получать без конца, если совершать работу.
| Обозначение | caloric · calorique · мера cal |
| Как считали | по массе растаявшего льда и нагреву воды · Q = c·m·ΔT |
| Что предполагалось | сохранение: сколько ушло из одного тела, столько пришло в другое |
| Ввод и отмена | calorique — Лавуазье, 1789 · опыт Румфорда — 1798 · механический эквивалент — Джоуль, 1843—1850 |
| Нынешняя запись | теплота — форма энергии, джоули · 1 cal = 4,184 J · ISO 80000-5 |
| Типичные значения | 79,7 cal — растопить грамм льда · 540 cal — испарить грамм воды · 2000 kcal — рацион в сутки |
01 · Определение
Невесомая жидкость тепла
По системе конца XVIII века, теплород содержится в телах и перетекает от нагретых к холодным. Его частицы отталкиваются друг от друга — поэтому тепло растекается, а тела при нагреве расширяются. Разные вещества вмещают теплород по-разному: железу нужно вдесятеро меньше, чем воде, чтобы нагреться на градус.
Скрытая теплота Блэка тоже получала объяснение: тающий лёд принимает теплород, но не теплеет, значит, тот входит в связанном виде. Всё расчётное содержание системы держалось на одном допущении — что теплород сохраняется. Именно его и пришлось отменить. Формулы теплоёмкости остались в силе, только теплоту теперь считают энергией.
Теплота на весах, без термометра
В центре — горячий образец в камере изо льда, его цвет зависит от температуры. Бирюзовым показан лёд и талая вода, она стекает в чашку внизу, по её массе и считают теплоту. Наружная рубашка тоже из льда, она защищает опыт от тепла комнаты. Янтарные точки — теплород, как его представляли: он выходит из образца в лёд, пока образец не остынет до нуля.
Как теплород объяснял всё — пока не начали сверлить
Здесь теплород нарисован так, как его представляли: 260 янтарных частиц невесомой жидкости. В первых трёх опытах их число не меняется, они только переливаются, распирают тело или прячутся в тающем льду. Полые кружки — связанный теплород, бирюзовый слой — лёд. В четвёртом опыте сверло рождает новые частицы, белые, из ничего — и счёт перестаёт сходиться. Ползунок ведёт опыт, числа под сценой считаются по калориям, как в те годы.
Ствол, который не остывал
В центре — сверлильный станок арсенала. Лошади ходят по кругу, их ворот через большое колесо и шестерню крутит бронзовый ствол. Ствол стоит в ящике с водой, тупое сверло упирается в его канал. Сиреневым показана механическая работа: передача, вал, мощность лошадей. Янтарным — теплота, которая рождается в точке трения: частицы поднимаются от сверла сквозь воду. Бирюзовым — вода и её температура. Справа экран пишет нагрев воды, под ним счёт теплорода. По теории запас теплорода в стволе конечен. Полоса показывает, сколько из этого запаса уже должно было уйти. Время ускорено в 120 раз: секунда — две минуты. Если 20 s ничего не трогать, опыты пойдут сами.
—
02 · Пересчёт
| {n} | {v} | {note} |
Калорий несколько. Термохимическая — ровно 4,184 J, международная — 4,1868 J, пятнадцатиградусная — 4,1855 J. Разница — десятые доли процента. В точной работе вид калории указывают, а лучше пишут сразу джоули.
Граммы льда и кипящей воды — меры той эпохи: так теплоту видели глазами. Растопить грамм льда — 79,7 cal, испарить грамм воды при 100 °C — около 540 cal. Пар обжигает сильнее кипятка именно из-за этих 540.
03 · Порядки величин
04 · Приборы измерения
05 · Правила записи
06 · Соседние единицы
Теплород ушёл, но оставил наследство. Карно вывел предел тепловых машин, считая теплород сохраняющимся, — и формула верна до сих пор. Работа и теплота оказались одной величиной, а из отношения теплоты к температуре выросла энтропия.
07 · Исторический раздел
Теория теплорода не испортила ни одного измерения: калориметр мерил переданную теплоту, а не вещество. Поэтому таблицы теплоёмкостей Лавуазье и Лапласа пережили теорию. Отменили только допущение о сохранении, а меру сохранили — калорию.
Калорию определяли через воду, и у неё было несколько версий: при 15 °C, средняя от 0 до 100 °C, международная. В 1948 году Генеральная конференция по мерам и весам рекомендовала выражать теплоту в джоулях. Калория осталась на упаковках еды и в старых справочниках.
Каталог величин
весь указатель →Семь основных единиц СИ
Капля кислоты меняет цвет сока, соль красит пламя, вода замерзает от стука. Под ними — все листы Simetrium по дисциплинам и по алфавиту.
Открыть указатель →