Ponerse al día con el calor

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

"Hoy los niños aprenden las ideas correctas sobre la calidez ya en el séptimo grado".

(De la colección "Bromas de grandes científicos")

… La estepa kazaja abrasada por el sol. Los científicos de un pequeño grupo expedicionario, secándose el sudor, observan a los saigas. Estos científicos realizan investigaciones científicas responsables. Quieren confirmar experimentalmente las palabras del académico Timiryazev: "".

La metodología de nuestros científicos no es en ninguna parte más sencilla. Realizan un seguimiento de la cantidad de hierba que comen los animales en su entorno natural. El contenido calórico de este alimento, es decir, los científicos ya conocen la cantidad de calor que se libera cuando se quema en un calorímetro. Solo queda comparar la cantidad de esta “energía potencial” contenida en la comida del saiga con el trabajo que producen sus músculos durante su vida.

Pero … cuanto más tiempo observaban los científicos, más melancólicos se volvían. Verás, estos saigas estaban equivocados de alguna manera. Comieron un poco: la cantidad de calorías en sus raciones resultó ser varias veces menor que el consumo de energía de sus músculos. Las reservas de grasa no tuvieron nada que ver con eso. ¿Cuáles son sus reservas de grasa en verano? Lo más ofensivo fue que los saigas anularon todas las "normas científicamente fundamentadas": el contenido calórico de su comida claramente no era suficiente para la vida, y se veían bastante alegres … Aquí hay un saiga encantador, guiñando un ojo a los científicos, con gracia. levantando la cola y soltando otra tanda de caca. “¿Has visto lo que está haciendo? - un observador no pudo resistirse. - ¡Se burla de nosotros, criatura rumiante! - “¡Cálmate, colega! - respondió el segundo. - Al contrario, nos dice ella: ¡no hemos llevado el experimento hasta el final! Esto … el heno pasó a través de la vaca, se secó, ¡también se quema! ¡Los lugareños lo usan como combustible! " - "¿Quiere decir, colega, que esto … esto mismo … también tiene un contenido calórico?" - "¡Exactamente! ¡Y lo mediremos!"

Dicho y hecho. El calorímetro no se divirtió cuando quemaron caca en él, pero por el bien de la ciencia tuve que soportarlo. Sin embargo, los investigadores se divirtieron aún menos cuando se convencieron de que el contenido calórico de la caca es el mismo que el contenido calórico del alimento original. Resultó que al nivel de la "energía potencial contenida en la materia orgánica" de Timiryazev, el animal no solo consume mucho menos de lo que necesita para el trabajo de sus músculos, sino que también libera tanto como consume. Es decir, no queda absolutamente nada para que los músculos trabajen. Nuestros científicos sabían muy bien que conclusiones tan curiosas no eran para sus informes. Por lo tanto, rociaron cenizas en su cabello, esa misma caca quemada, y ese fue el final.

Y hasta ahora, la situación con respecto al "contenido calórico de los alimentos" es una resaca de algún tipo. Si le pregunta a los nutricionistas cuántas calorías al día deben consumirse con los alimentos para "garantizar que perderá peso en dos semanas", le explicarán todo en detalle; además, lo tomarán de forma económica y no parpadearán.. Su trabajo es así … Pero les preguntamos a los académicos: ¿de dónde vienen las calorías que usan los saigas para caminar, masticar y levantar la cola? Y a los académicos no les gusta mucho esta pregunta. Dolorosamente, se siente incómodo por ellos. Lo máximo que se puede lograr con ellos es una apelación al hecho de que los organismos vivos, dicen, son los sistemas altamente organizados más complejos y, por lo tanto, dicen, aún no han sido suficientemente estudiados. Entonces, tíos, en el marco del estudio de los organismos vivos, ¿guardan silencio sobre los resultados de mediciones calorimétricas como las descritas anteriormente? ¿O tienes miedo de tener que sonrojarte cuando los niños se rían de ti? Bueno, aquí hay un remedio popular probado para ti: frota tu hocico de remolacha; si te sonrojas, no se notará tanto.

¿Cómo llegaron los académicos a esta vida? De acuerdo, incluso si los organismos animados son demasiado difíciles para ellos. Pero en una sustancia inanimada, que está sujeta a la acción solo de leyes físicas y químicas, ¿es entonces cuando las preguntas con calorías deberían ser completamente transparentes? No estamos hablando de los fenómenos que se encuentran en aceleradores y colisionadores. Son fenómenos que cualquiera puede reproducir en su propia cocina. Parecería que la colosal experiencia práctica debería haberse moldeado en ideas completamente claras sobre la calidez. Pero te contamos cómo se concretó realmente esta experiencia.

Incluso los filósofos antiguos en la cuestión de la naturaleza del calor se dividieron en dos campos. Algunos creían que el calor es una sustancia independiente; cuanto más hay en el cuerpo, más caliente está. Otros creían que el calor es una manifestación de alguna propiedad inherente a la materia: en un estado dado de la materia, el cuerpo está más frío o más caliente. En la Edad Media dominó el primero de estos conceptos, que es fácil de explicar. Los conceptos de la estructura de la materia en los niveles atómico y molecular estaban entonces completamente subdesarrollados y, por lo tanto, era un misterio esa propiedad de la materia que podría ser responsable del calor. Los filósofos, en la abrumadora mayoría, no se molestaron en tratar de encontrar esta misteriosa propiedad, pero, guiados por el instinto de manada, se adhirieron al conveniente concepto del calor como una "materia calorífica".

Oh, con qué tenacidad se adhirieron a él, a los calambres en los músculos que lo agarraban. Comprenda: la materia calorífica, por así decirlo, se transfiere de los cuerpos calientes a los fríos cuando entran en contacto. Cuanto más materia calórica haya en el cuerpo, mayor será la temperatura corporal. ¿Qué es la temperatura? Y esta es solo una medida del contenido de materia calórica. Si la materia calorífica se transfiere de derecha a izquierda, entonces la temperatura es más alta a la derecha. Y viceversa. Si la materia calorífica no se transfiere ni a la derecha ni a la izquierda, entonces las temperaturas a la derecha y a la izquierda son las mismas. Dejemos que los conceptos de "materia calorífica" y "temperatura" resulten estar conectados por un círculo vicioso lógico, pero por lo demás todo era asombroso. Incluso fue posible sacar conclusiones prácticas: para calentar un cuerpo, es necesario agregarle materia calorífica, en comparación con lo que ya tiene. Y para tal adición, se requiere un cuerpo más calentado, de lo contrario, la materia calorífica no se transferirá. ¡Brillar! ¡Sobre la base de estas ideas, se fabricaron motores térmicos en funcionamiento! Incluso se formuló el principio de la indestructibilidad de la materia calorífica, es decir, ¡de hecho, la ley de conservación del calor!

Por supuesto, hoy nos resulta fácil hablar de la ingenuidad de estos caprichos medievales. Hoy sabemos que el calor es una de las formas de energía y la ley de conservación de la energía no funciona para ninguna de sus formas. Esta ley funciona para la energía en su conjunto, teniendo en cuenta el hecho de que algunas formas de energía se pueden convertir en otras. Pero en esa época en la que la materia calorífica se consideraba parte integral del Universo, el principio de su indestructibilidad, debido a las pretensiones de alcance universal, llevó a los filósofos a asombrar. Para la confirmación experimental de este principio, cierto, no a escala universal, sino a escala local, se inventaron y pusieron en funcionamiento estas cajas con doble fondo, llamadas calorímetros.

Es asombroso: en el curso del progreso científico y tecnológico, desde los cronómetros mecánicos, primero cambiaron al cuarzo, y luego a los relojes atómicos, desde las cintas de medición de la tierra a los telémetros láser, y luego a los receptores GPS, y solo los calorímetros se activaron. resulta ser absolutamente insustituible en materia de determinación directa de los efectos térmicos. Hasta ahora, los calorímetros sirven fielmente a sus usuarios: los usuarios creen en ellos y piensan que con su ayuda conocen la verdad. Y en la Edad Media se rezaba por ellos, se los protegía del mal de ojo e incluso se los fumigaba con incienso, lo que, sin embargo, no ayudó mucho. Aquí, mire: el proceso en estudio se desarrolló en un vaso con paredes conductoras de calor, que estaba dentro de un vaso grande lleno de una sustancia amortiguadora. Si, durante el proceso en estudio, la materia calorífica se liberó o absorbió, entonces la temperatura de la sustancia tampón, respectivamente, aumentaba o disminuía. El valor medido en ambos casos fue la diferencia de temperatura de la sustancia tampón antes y después del proceso en estudio; esta diferencia se determinó con un termómetro. ¡Voila! Es cierto que rápidamente se descubrió una pequeña dificultad. Las mediciones se repitieron con el mismo proceso de prueba, pero con diferentes sustancias tampón. Y resultó que los mismos pesos de diferentes sustancias tampón, adquiriendo la misma cantidad de materia calorífica, se calientan en diferentes cantidades de grados. Sin pensarlo dos veces, los maestros de los asuntos térmicos introdujeron en la ciencia una característica más de las sustancias: la capacidad calorífica. Esto es bastante simple: la capacidad calorífica es mayor para la sustancia que contiene más materia calorífica para calentarse en el mismo número de grados, en igualdad de condiciones. ¡Espera espera! Luego, para determinar el efecto térmico por el método calorimétrico, es necesario conocer de antemano la capacidad calorífica de la sustancia tampón. ¿Cómo lo sabes? Los maestros del calor, sin esforzarse, dieron también una respuesta a esta pregunta. Rápidamente se dieron cuenta de que sus cajas son dispositivos de doble propósito que son adecuados para medir no solo los efectos térmicos, sino también las capacidades de calor. Después de todo, si mide la diferencia de temperatura de la sustancia amortiguadora y conoce la cantidad de materia generadora de calor que absorbe, ¡entonces la capacidad de calor deseada está en su bandeja de plata! Y así sucedió: los efectos térmicos se midieron sobre la base del conocimiento de las capacidades caloríficas, y las capacidades caloríficas se reconocieron sobre la base de las mediciones de los efectos térmicos. Y si alguien, no por malicia, sino por pura curiosidad, preguntara: "¿Qué midió primero: calor o capacidad calorífica?" - luego le respondieron con este espíritu: "Escucha, chico inteligente, ¿qué fue primero - una gallina o un huevo?" - y el sabio entendió que no debería hacer preguntas estúpidas.

En resumen: si no haces preguntas estúpidas, entonces todo estuvo bien en el método calorimétrico, con la excepción de un matiz. Desde el principio, este método se basó en el postulado clave de que la materia calorífica solo es capaz de fluir de los cuerpos más calientes a los menos calientes. Entonces nadie había pensado en una cosa simple: si este postulado clave es correcto, entonces con el tiempo las temperaturas de todos los cuerpos se igualarán y, como dicen, amén. Sin embargo, si alguien hubiera pensado en ello, razonablemente le habría objetado que el plan de Dios no podía contener tal estupidez, y en esto todos se habrían calmado.

En una palabra, el concepto de materia calorífica en la ciencia se calienta cómodamente. Por tanto, nuestro Lomonosov, con su rústica sencillez, no encajaba en este idilio. Después de todo, no se adhirió a ciertos conceptos, los investigó y ofreció otros más adecuados a cambio. En "Reflexiones sobre la causa del calor y el frío" (1744), Lomonosov formuló claramente la causa del calor, que es "" de las partículas corporales. Por cierto, inmediatamente llegó a una conclusión fenomenal: "". Hoy en día, se utiliza un término más científico: "temperatura cero absoluta", pero no se menciona el nombre de Lomonosov. Después de todo, ¡tuvo la imprudencia de destruir el concepto de materia calorífica! Entonces, escribió que los filósofos no mostraron - "". “” Si los filósofos hubieran utilizado entonces los métodos de la mecánica cuántica, habrían llegado a algún tipo de “reducción de la función térmica”. Aunque, a pesar de todo el "oscurantismo medieval", se consideró indecente ser tan francamente idiota, se convirtió en un lugar común solo en el siglo XX. Todavía hubo una larga espera … Y Lomonosov resolvió el siguiente engaño: sobre el peso de la "materia calorífica". "". Por desgracia, el conocido Robert Boyle ha hecho algo mal: cuando se tuesta el metal, se forman escamas y el peso de la muestra aumenta, pero debido a la sustancia añadida como resultado de la reacción oxidativa. "", Es más, "". Pero Lomonosov también controló "".

En comparación con estos devastadores argumentos, toda la doctrina de la materia calorífica era un balbuceo infantil, incluso los aprendices de los laboratorios químicos lo entendían. Pero los maestros académicos no reconocieron la rectitud de Lomonosov; sabiamente guardaron un silencio sepulcral. “Sobre el caso, no tenemos nada que discutir”, pensaron. "Pero no puede ser que todos seamos tontos, y solo él es un genio". Además, este pensamiento llegó obsesivamente a todas las cabezas académicas. Aunque los académicos no llegaron a un acuerdo, exteriormente se manifestó como una conspiración mundial de cien dólares. Y todas eran las personas más honestas y nobles. En cuanto a la selección, el uno al otro es más honesto y noble. Uno honesto conducía a uno honesto y conducía a uno noble.

Tomemos a Euler, que era considerado amigo de Lomonosov. Cuando la Academia de Ciencias de París anunció un concurso para la mejor obra sobre la naturaleza del calor, ganó el concurso y recibió el Premio Euler, quien escribió en la obra presentada: "" (1752). Pero este caso Euler fue una excepción. El resto de los "honestos y nobles" guardaron silencio y esperaron pacientemente la muerte de Lomonosov (1765). Y solo después de eso, habiendo esperado otros siete años para ser fieles, comenzaron nuevamente su zanfona sobre la materia calórica. Verá, era imposible admitir que Lomonosov tenía razón. Ahora bien, si hubiera hecho cualquier pequeña cosa, por ejemplo, expuesto los delirios del mismo Boyle, y eso es todo, entonces la ley de Lomonosov estaría en los libros de texto ahora, al igual que la ley de Boyle-Mariotte. Y Lomonosov se dejó llevar y se puso a palear toda la ciencia de esa época. De acuerdo, no escriba en los libros de texto "la primera ley de Lomonosov", "la segunda ley de Lomonosov", etc. - ¡cuando la puntuación llega a muchas decenas! ¡Los estudiantes se confundirán! Es por eso que nuevos hechos experimentales, que podrían interpretarse en el espíritu de la materia calorífica, pasaron con fuerza.

Y hay algunos hechos. En aquellos días, los naturalistas tenían una moda: mezclar tal o cual cantidad de agua fría con tal o cual cantidad de agua caliente, y determinar la temperatura resultante de la mezcla. La experiencia confirmó la fórmula de Richman: el valor de la temperatura era un promedio ponderado; en el caso particular, con cantidades iguales de agua fría y caliente, era el promedio aritmético. Y así: el químico Black, y luego también el químico Wilke, comenzaron a verificar la fórmula de Richmann para el caso de mezclar agua caliente no con agua fría, sino con hielo, decidiendo que, en el punto de fusión, “ese hielo, esa agua es una mierda”. El resultado fue, hoy se puede decir con seguridad, absolutamente alucinante. La temperatura final del agua para el caso de pesos de hielo iguales iniciales a 0^OC y agua a 70^OC resultó estar lejos de la media aritmética, resultó ser igual a 0^OS. ¿Alucinante? ¡Y luego! Las mentes eran tan oscuras que se entregaron con entusiasmo al concepto de "el calor latente del hielo derretido". Según este concepto, para derretir el hielo no basta con calentarlo a la temperatura de fusión, lo que requerirá que se le comunique una determinada cantidad de materia calorífica, de acuerdo con su capacidad calorífica, también será necesario para propulsar una gran cantidad adicional de materia calorífica en el hielo, que irá al derretimiento mismo. Es cierto que durante el derretimiento, la temperatura del hielo no cambia y los termómetros no reaccionan a esta materia calorífica adicional; es por eso que el calor de derretimiento se llama "latente". ¡Todo está pensado! Y, lo más importante, la experiencia lo confirma: donde, dicen, el suministro de agua caliente llega a 70^OC, ¡¿si no se está derritiendo hielo ?! Así es como encontramos el valor numérico de su calor latente de fusión. Los académicos lloraron de alegría, cerrando los ojos al hecho de que la lógica de Black y Wilke funciona bajo el supuesto preliminar indispensable: la cantidad de calidez en la naturaleza se conserva. Con esta suposición delirante, los resultados de Black y Wilke sí confirmaron la presencia de materia calorífica. Todo empezó de nuevo. Sin embargo, los esfuerzos de Lomonosov no fueron en vano: la materia calorífica actual se atribuyó a una propiedad tan específica como la ausencia de peso; de lo contrario, de hecho, resultó divertido. Y liberaron, en lugar de materia calórica, un fluido calórico ingrávido, por lo que eligieron un nombre adecuado: calórico. Y se volvieron cada vez más hermosos que antes.

¿Por qué hablamos de esto con tanto detalle? Porque es útil saber cómo apareció en la física este juego sobre los calores latentes de las transformaciones agregadas, que todavía se considera una verdad científica. Tendremos que decir algunas palabras sobre la "naturaleza científica" de esta "verdad".

Imagínese: el vaso interior del calorímetro contiene agua y hielo, en equilibrio térmico entre sí y con una sustancia amortiguadora. Un aumento insignificante de temperatura, hasta el llamado. puntos liquidus - y se violará el equilibrio de fase entre el hielo y el agua: el hielo comenzará a derretirse. ¿De dónde vendrá el calor de este derretimiento? ¿De una sustancia amortiguadora, o qué? Pero luego su temperatura bajará y el flujo de calor "para derretir" se detendrá. De hecho, todo el hielo se derretirá y la temperatura permanecerá en el punto líquido. ¡Escándalo!

Tal vez los académicos de hoy consideren este resultado como una especie de excepción molesta, ya que en otros casos, dicen, los extremos se encuentran perfectamente, por ejemplo, al calcular el balance térmico de la estrella tau-Ceti. No, queridos, no saldrán con una "excepción" aquí. En su opinión, la formación de hielo en cuerpos de agua abiertos también debería ir acompañada de un efecto térmico, solo que ahora debería liberarse el mismo "calor de fusión". Ustedes, mis queridos, se tomaron la molestia de averiguar: ¿a qué resultados debería conducir esto? El hielo crece desde abajo y la conductividad térmica del hielo es dos órdenes de magnitud peor que la del agua. Por lo tanto, prácticamente todo el "calor de fusión" debería liberarse en el agua debajo del hielo. Si sustituimos los valores de referencia en la ecuación de balance de calor más simple para el caso en consideración, resulta que la formación de una capa de hielo de 1 mm causaría el calentamiento de una capa de agua de 1 mm adyacente en 70 grados (y un Capa de agua de 0,5 mm - hasta 140 grados; sin embargo, ya a 100^OComenzaría a hervir). ¿Qué les parece este resultado, queridos? ¿Quizás dirás que no hemos tenido en cuenta la mezcla térmica del agua en vano? De hecho, en el rango de 0^O hasta 4^OC, el agua más caliente se hunde y el agua más fría sube. ¡Qué! Pero, incluso en las condiciones de tal mezcla, si hubiera una fuente de calor en la superficie del agua, el agua de arriba estaría más caliente que de abajo. De hecho, el perfil de temperatura típico del Ártico en el agua debajo del hielo es el siguiente: el agua en contacto con el hielo tiene una temperatura cercana al punto de congelación y, a medida que aumenta la profundidad (dentro de una determinada capa), la temperatura aumenta. Esta es una evidencia obvia: no hay flujo de calor hacia el agua desde el hielo, ni siquiera desde el hielo en crecimiento. Los oceanólogos se dieron cuenta de esto hace mucho tiempo, por lo que inventaron un tonto: "". Lo que hace este calor a continuación, que se calcula, a escala regional, en billones de kilocalorías: a los oceanólogos ya no les importa; Dejemos que los ingenieros atmosféricos se ocupen más de esta calidez. Se podría pensar que los oceanólogos no saben que la conductividad térmica del hielo es dos órdenes de magnitud peor que la del agua. Uno se pregunta hacia dónde se dirigen las expediciones al Ártico una y otra vez, y qué están haciendo allí los hidrólogos junto con los meteorólogos, ¿están cortando esculturas de hielo o qué?

Y no hay necesidad de caminar penosamente hasta el Ártico para asegurarse de que no haya liberación de calor cuando el agua se congele. En televisión, MythBusters mostró una experiencia altamente reproducible. Una botella de cerveza líquida superenfriada se saca cuidadosamente del refrigerador. Empuja sobre esta botella y la cerveza que contiene se congela en copos de hielo en unos segundos. Y la botella se mantiene fría … Esta experiencia tiene un tremendo poder popularizador. Palabras clave: “tibia, fría, botella, cerveza” - todo es muy inteligible. Incluso para los académicos de hoy.

Imagínese lo difícil que es para estos académicos: dado que no hay "calor latente de fusión", no solo tendrá que reescribir la física para el séptimo grado, sino también poner excusas: cómo algunos químicos medievales Black y Wilke los han engañado. ¿Y cómo puede uno justificarse si los académicos aún no comprenden el secreto de ese truco? Bien, vamos a mostrarte. El secreto es que el hielo a 0^O, después de mezclarlo con agua caliente, no sube su temperatura: se derrite a temperatura constante. Y hasta que se derrita por completo, es una fuente de enfriamiento: el agua en contacto con él, que al principio estaba caliente, se calienta, luego se enfría, luego hielo … con pesos iniciales iguales de hielo a 0^OC y agua a 70^OС, toda el agua resultante estará a 0^OC. El caso, como puede ver, es simple. Pero no, nos exigen una explicación, pero ¿dónde, dicen, estaba el calor que tenía el agua caliente? Amigos, esta pregunta sería pertinente si la ley de conservación del calor funcionara en la naturaleza. Pero la energía térmica no se conserva: se convierte libremente en otras formas de energía. A continuación, ilustraremos que un sistema cerrado es bastante capaz de cambiar su temperatura, e incluso de diferentes formas.

Y en cuanto a una transformación agregada de la materia como la fusión, es obvio que no necesita ningún "calor latente". Caliente la muestra hasta su punto de fusión, y manténgala si es necesario, y la muestra se derretirá sin ayuda. Quienes vieron la película épica "El señor de los anillos" probablemente recuerden los últimos segundos del Anillo de la Omnipotencia. Cayó en la boca de la "montaña que escupe fuego" - y ahora yace ahí, yace … se calienta, calienta … y, finalmente - ¡un mordisco! Y en lugar de un anillo, ya se esparcen gotas. Esta escena fue un gran éxito para los realizadores. ¡Sentido total de la realidad!

(Se puede ver un extracto con un anillo en el enlace:

El oro tiene una buena conductividad térmica y el anillo era pequeño, por lo que se calentó en su totalidad a la vez. E, inmediatamente, en todo el volumen, se calentó hasta el punto de fusión, inmediatamente y se fundió, sin demandas de calor innecesarias. Por cierto, testigos presenciales del calentamiento de chatarra, por ejemplo, aluminio en hornos de inducción, testifican: no se derrite gradualmente, gota a gota; por el contrario, los fragmentos que sobresalen comienzan a flotar y fluir inmediatamente en todo su volumen. En el caso del hielo, la ausencia de demandas de calor innecesarias para derretirse no es obvia simplemente porque la conductividad térmica del hielo es mucho peor que la de los metales. Por tanto, el hielo se derrite gradualmente, gota a gota. Pero el principio es el mismo: lo que se calienta hasta el punto de fusión, luego se derrite inmediatamente.

O. Kh. Derevensky

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