Recuperando o calor

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificação: 2023-12-16 16:14

"Hoje as crianças aprendem as idéias corretas sobre o calor já na sétima série."

(Da coleção "Piadas de Grandes Cientistas")

… A estepe do Cazaquistão chamuscada pelo sol. Cientistas de um pequeno grupo expedicionário, enxugando o suor, observam as saigas. Esses cientistas conduzem pesquisas científicas responsáveis. Eles querem confirmar experimentalmente as palavras do acadêmico Timiryazev: "".

A metodologia de nossos cientistas não é mais simples. Eles rastreiam a quantidade de grama que os animais comem em seu ambiente natural. O conteúdo calórico deste feed - ou seja, a quantidade de calor que é liberada quando é queimada em um calorímetro já é conhecida pelos cientistas. Resta apenas comparar a quantidade dessa “energia potencial” contida na comida da saiga com o trabalho que seus músculos produzem ao longo de sua vida.

Mas … quanto mais os cientistas observavam, mais melancólicos eles ficavam. Veja, essas saigas estavam de alguma forma erradas. Eles comeram um pouco - o número de calorias em suas rações acabou sendo várias vezes menor do que o consumo de energia de seus músculos. As reservas de gordura não têm nada a ver com isso - quais são as suas reservas de gordura no verão? O mais ofensivo foi que as saigas derrubaram todas as "normas cientificamente fundamentadas": o conteúdo calórico de sua comida claramente não era suficiente para a vida, e pareciam bem alegres … Aqui está uma saiga charmosa, piscando para os cientistas, graciosamente levantando a cauda e distribuindo outro lote de cocô. “Você viu o que ele está fazendo? - um observador não resistiu. - Zomba de nós, criatura ruminante! - “Calma colega! - respondeu o segundo. - Pelo contrário, diz-nos ela: não terminámos a experiência! Este … o feno passou pela vaca - secou, também queima! Os moradores locais o usam como combustível! " - "Quer dizer, colega, que isto … isto mesmo … também tem um teor calórico?" - "Exatamente! E vamos medir isso!"

Não antes de dizer que acabou. O calorímetro não se divertiu quando eles queimaram cocô nele - mas pelo bem da ciência, eu tive que aguentar. No entanto, os pesquisadores se divertiram ainda menos quando se convenceram de que o conteúdo calórico do cocô é igual ao conteúdo calórico da ração original. Descobriu-se que no nível da "energia potencial contida na matéria orgânica" de Timiryazev, o animal não apenas consome muito menos do que o necessário para o trabalho de seus músculos, mas também libera tanto quanto consome. Ou seja, não sobra absolutamente nada para os músculos trabalharem. Nossos cientistas estavam bem cientes de que tais conclusões curiosas não eram para seus relatórios. Portanto, eles borrifaram cinzas nos cabelos - aquelas mesmas fezes queimadas - e pronto.

E até agora, a situação em relação ao "teor calórico dos alimentos" é uma espécie de ressaca. Se você perguntar a nutricionistas sobre quantas calorias por dia devem ser consumidas com alimentos para "perder peso garantido em duas semanas", eles vão te explicar tudo em detalhes - além disso, eles vão tomar de forma barata e nem piscar.. O trabalho deles é assim … Mas perguntamos aos acadêmicos: de onde vêm as calorias que as saigas usam para andar, mastigar e erguer o rabo? E os acadêmicos não gostam muito dessa pergunta. Dolorosamente, ele se sente desconfortável para eles. O máximo que você pode obter com eles é um apelo ao fato de que os organismos vivos, dizem eles, são os sistemas altamente organizados mais complexos e, portanto, eles dizem, ainda não foram suficientemente estudados. Então vocês, tios, no âmbito do estudo dos organismos vivos, estão mantendo silêncio sobre os resultados das medições calorimétricas como as descritas acima? Ou você tem medo de ter que corar quando as crianças rirem de você? Bem, aqui está um remédio popular comprovado para você: esfregue o focinho de beterraba - se você corar, não será tão perceptível.

Como os acadêmicos chegaram a esta vida? Ok, mesmo que os organismos animados sejam muito difíceis para eles. Mas numa substância inanimada, que está sujeita à ação apenas de leis físicas e químicas - será então que as questões com as calorias devem ser completamente transparentes? Não estamos falando sobre os fenômenos que são encontrados em aceleradores e aceleradores. São fenômenos que qualquer pessoa pode reproduzir em sua cozinha. Parece que a experiência prática colossal deveria ter sido moldada em idéias completamente claras sobre o calor. Mas contaremos como essa experiência realmente se concretizou.

Mesmo os antigos filósofos na questão da natureza do calor foram divididos em dois campos. Alguns acreditavam que o calor é uma substância independente; quanto mais no corpo, mais quente fica. Outros acreditavam que o calor é a manifestação de alguma propriedade inerente à matéria: em um determinado estado da matéria, o corpo fica mais frio ou mais quente. Na Idade Média, o primeiro desses conceitos predominou, o que é fácil de explicar. Os conceitos da estrutura da matéria nos níveis atômico e molecular eram então completamente subdesenvolvidos - e, portanto, era um mistério aquela propriedade da matéria que poderia ser responsável pelo calor. Os filósofos, em sua esmagadora maioria, não se preocuparam em tentar encontrar essa propriedade misteriosa - mas, guiados pelo instinto de rebanho, aderiram ao conveniente conceito de calor como "matéria calórica".

Oh, quão tenazmente eles aderiram a ele - às cãibras nos músculos tensos. Entenda: a matéria calorífica, por assim dizer, é transferida dos corpos quentes para os frios quando eles entram em contato. Quanto mais matéria calórica houver no corpo, maior será a temperatura corporal. O que é temperatura? E esta é apenas uma medida do conteúdo de matéria calórica. Se a matéria calorífica é transferida da direita para a esquerda, a temperatura é mais alta à direita. E vice versa. Se a matéria calorífica não for transferida nem para a direita nem para a esquerda, as temperaturas à direita e à esquerda são iguais. Deixe que os conceitos de "matéria calorífica" e "temperatura" se tornem conectados por um círculo vicioso lógico, mas fora isso tudo era incrível. Foi até possível tirar conclusões práticas: para aquecer um corpo é necessário acrescentar-lhe matéria calórica - em comparação com o que já tem. E para tal adição, um corpo mais aquecido é necessário, caso contrário, a matéria calorífica não será transferida. Brilhar! Com base nessas idéias, máquinas térmicas funcionais foram feitas! O princípio da indestrutibilidade da matéria calorífica foi até formulado, ou seja, de fato, a lei da conservação do calor!

Claro, hoje é fácil para nós falar sobre a ingenuidade dessas peculiaridades medievais. Hoje sabemos que o calor é uma das formas de energia, e a lei da conservação da energia não funciona para nenhuma de suas formas. Esta lei funciona para a energia como um todo - levando em consideração o fato de que algumas formas de energia podem ser convertidas em outras. Mas naquela época em que a matéria calorífica era considerada parte integrante do Universo, o princípio de sua indestrutibilidade, devido às reivindicações de alcance universal, levou os filósofos ao espanto. Para a confirmação experimental desse princípio - verdade, não em escala universal, mas local - essas caixas de fundo duplo, chamadas de calorímetros, foram inventadas e postas em uso.

É incrível: no decorrer do progresso científico e tecnológico, dos cronômetros mecânicos, eles mudaram primeiro para o quartzo e, depois, para os relógios atômicos, das fitas de medição da terra, eles mudaram para telêmetros a laser e depois para os receptores GPS - e apenas os calorímetros giraram fora para ser absolutamente insubstituível em matéria de efeitos térmicos de determinação direta. Até agora, os calorímetros atendem fielmente seus usuários: os usuários acreditam neles e pensam que, com sua ajuda, sabem a verdade. E na Idade Média eles recebiam oração, eram protegidos do mau-olhado e até fumigados com incenso - o que, no entanto, não ajudava muito. Aqui, veja: o processo em estudo ocorria em um vidro com paredes condutoras de calor, que ficava dentro de um grande vidro cheio de uma substância tampão. Se, durante o processo em estudo, o material calorífico foi liberado ou absorvido, então a temperatura da substância tampão, respectivamente, aumentou ou diminuiu. O valor medido em ambos os casos foi a diferença de temperatura da substância tampão antes e depois do processo em estudo - essa diferença foi determinada por meio de um termômetro. Voila! É verdade que uma ligeira dificuldade foi descoberta rapidamente. As medições foram repetidas com o mesmo processo de teste, mas com diferentes substâncias tampão. E descobriu-se que os mesmos pesos de diferentes substâncias tampão, adquirindo a mesma quantidade de matéria calorífica, aquecem em diferentes quantidades de graus. Sem pensar duas vezes, os mestres dos assuntos térmicos introduziram na ciência mais uma característica das substâncias - a capacidade térmica. É muito simples: a capacidade de calor é maior para a substância que contém mais matéria calórica para aquecer na mesma quantidade de graus, todas as outras coisas sendo iguais. Espera espera! Então, para determinar o efeito térmico pelo método calorimétrico, é necessário saber com antecedência a capacidade calorífica da substância tampão! Como você sabe? Os mestres do calor, sem esforço, também deram uma resposta a esta pergunta. Eles rapidamente perceberam que suas caixas são dispositivos de dupla finalidade, adequados para medir não apenas os efeitos térmicos, mas também as capacidades térmicas. Afinal, se você medir a diferença de temperatura da substância tampão e souber a quantidade de matéria geradora de calor absorvida por ela, a capacidade de calor desejada está em sua bandeja de prata! E assim aconteceu: os efeitos térmicos foram medidos com base no conhecimento das capacidades térmicas, e as capacidades térmicas foram reconhecidas com base nas medições dos efeitos térmicos. E se alguém, não por maldade, mas puramente por curiosidade, perguntasse: "O que você mediu primeiro - calor ou capacidade de calor?" - então ele foi respondido com este espírito: "Escute, espertinho, o que veio primeiro - uma galinha ou um ovo?" - e o espertinho entendeu que não deveria fazer perguntas estúpidas.

Resumindo: se você não fizer perguntas estúpidas, tudo bem no método calorimétrico, com exceção de uma nuance. Desde o início, esse método baseou-se no postulado-chave de que a matéria calorífica só é capaz de fluir de corpos mais aquecidos para outros menos aquecidos. Então, ninguém havia pensado em uma coisa simples: se esse postulado-chave estiver correto, com o tempo as temperaturas de todos os corpos se igualarão - e, como dizem, amém. No entanto, se alguém tivesse pensado nisso, razoavelmente teria objetado a ele que o plano de Deus não poderia conter tal estupidez - e com isso todos teriam se acalmado.

Em suma, o conceito de matéria calórica na ciência está confortavelmente aquecido. Portanto, nosso Lomonosov, com sua simplicidade rústica, não se encaixava neste idílio. Afinal, ele não aderiu a certos conceitos, ele os pesquisou - e em troca ofereceu outros mais adequados. Em "Reflexões sobre a causa do calor e do frio" (1744) Lomonosov formulou claramente a causa do calor - que é "" das partículas do corpo. A propósito, ele imediatamente fez uma conclusão fenomenal: "". Hoje, um termo mais altamente científico é usado - "temperatura zero absoluta", mas o nome de Lomonosov não é mencionado. Afinal, ele teve a imprudência de destruir o conceito de matéria calórica! Então, ele escreveu que os filósofos não mostraram - "". “” Se os filósofos tivessem então usado os métodos da mecânica quântica, eles teriam surgido com algum tipo de “redução da função térmica”. Embora, apesar de todo o "obscurantismo medieval", fosse considerado indecente ser tão francamente idiota - tornou-se comum apenas no século XX. Ainda havia uma longa espera … E Lomonosov resolveu a seguinte ilusão - sobre o peso da "matéria calórica". "". Infelizmente, o conhecido Robert Boyle fez algo errado: quando o metal é torrado, escama se forma nele e o peso da amostra aumenta - mas devido à substância adicionada como resultado da reação oxidativa. "", Além disso, "". Mas Lomonosov também controlou "".

Comparada a esses argumentos devastadores, toda a doutrina da matéria calórica era balbucio infantil - até mesmo os aprendizes em laboratórios químicos entendiam isso. Mas os mestres acadêmicos não reconheceram a correção de Lomonosov - eles sabiamente mantiveram um silêncio mortal. “No caso, não temos nada a discutir”, calcularam eles. "Mas não pode ser que sejamos todos tolos, e só ele é um gênio." Além disso, esse pensamento veio obsessivamente a todos os chefes acadêmicos. Embora os acadêmicos não tenham chegado a um acordo, externamente ele se manifestou como uma conspiração mundial de cem dólares. E todos eles eram as pessoas mais honestas e nobres. Quanto à seleção - cada um é mais honesto e nobre. Um honesto dirigiu outro honesto e dirigiu um nobre.

Veja o caso de Euler, considerado amigo de Lomonosov. Quando a Academia de Ciências de Paris anunciou um concurso para o melhor trabalho sobre a natureza do calor, ganhou o concurso e recebeu o Prêmio Euler, que escreveu no trabalho apresentado: "" (1752). Mas este caso de Euler foi uma exceção. O resto dos "honestos e nobres" calou-se e esperou pacientemente a morte de Lomonosov (1765). E só depois disso, tendo esperado mais sete anos para serem fiéis, eles começaram novamente sua turbulência sobre matéria calórica. Veja, era impossível admitir que Lomonosov estava certo. Agora, se ele tivesse feito alguma coisa pequena - por exemplo, exposto os delírios do mesmo Boyle e pronto - então a lei de Lomonosov estaria nos livros didáticos agora, como está a lei de Boyle-Mariotte. E Lomonosov empolgou-se e escavou toda a ciência da época. Concordo, não escreva nos livros didáticos "a primeira lei de Lomonosov", "a segunda lei de Lomonosov", etc. - quando a pontuação chega a muitas dezenas! Os alunos ficarão confusos! É por isso que novos fatos experimentais, que poderiam ser interpretados com o espírito da matéria calorífica, passaram com força.

E existem alguns fatos. Naquela época, os naturalistas tinham uma moda: misturar tal e tal quantidade de água fria com tal e tal quantidade de água quente - e determinar a temperatura resultante da mistura. A experiência confirmou a fórmula de Richman: o valor da temperatura era uma média ponderada - no caso particular, com quantidades iguais de água fria e quente, era a média aritmética. E assim: o químico Black, e depois também o químico Wilke, passaram a checar a fórmula de Richmann para o caso de misturar água quente não com água fria, mas com gelo - decidindo que, no ponto de derretimento, “aquele gelo, aquela água é uma porcaria”. O resultado saiu - hoje podemos dizer com certeza - absolutamente alucinante. A temperatura final da água para o caso de pesos de gelo iguais iniciais em 0^OC e água a 70^OC acabou ficando longe da média aritmética - acabou sendo igual a 0^OS. Alucinante? E então! As mentes eram tão sombrias que se entregaram com entusiasmo ao conceito de "calor latente do gelo derretido". Segundo esse conceito, para derreter o gelo, não basta aquecê-lo à temperatura de derretimento, o que exigirá que uma certa quantidade de matéria calorífica lhe seja comunicada, de acordo com sua capacidade calorífica - também será necessário para impulsionar uma grande quantidade adicional de matéria calorífica no gelo, que irá para o próprio derretimento. É verdade que durante o derretimento a temperatura do gelo não muda e os termômetros não reagem a essa matéria calorífica adicional - é por isso que o calor do derretimento é chamado de "latente". Tudo está pensado! E, o mais importante, a experiência confirma: para onde, dizem, o fornecimento de calor da água chega a 70^OC, se não estiver derretendo gelo ?! É assim que encontramos o valor numérico de seu calor latente de fusão. Os acadêmicos choraram de alegria - fechando os olhos para o fato de que a lógica de Black e Wilke trabalha sob a premissa preliminar indispensável: a quantidade de calor na natureza é conservada. Com essa suposição delirante, os resultados de Black e Wilke realmente confirmaram a presença de matéria calorífica. Tudo recomeçou. No entanto, os esforços de Lomonosov não foram em vão: a matéria calorífica presente foi atribuída a uma propriedade específica como a ausência de peso - do contrário, na verdade, acabou sendo engraçado. E liberaram, em vez de matéria calórica, um líquido calórico sem peso, para o qual escolheram um nome adequado: calórico. E eles se tornaram cada vez mais bonitos do que antes.

Por que estamos falando sobre isso com tantos detalhes? Porque é útil saber como surgiu na física esse jogo dos calores latentes das transformações de agregados - que ainda é considerada uma verdade científica. Teremos que dizer algumas palavras sobre a “natureza científica” desta “verdade”.

Imagine: o vidro interno do calorímetro contém água e gelo - em equilíbrio térmico entre si e com uma substância tampão. Um aumento insignificante da temperatura, até o chamado. pontos liquidus - e o equilíbrio de fase entre o gelo e a água será violado: o gelo começará a derreter. De onde virá o calor para esse derretimento? De uma substância tampão ou o quê? Mas então sua temperatura cairá e o fluxo de calor "para derreter" será interrompido. Na verdade, todo o gelo derreterá e a temperatura permanecerá no ponto líquido. Escândalo!

Talvez os acadêmicos de hoje considerem esse resultado uma espécie de exceção irritante, já que em outros casos, dizem, os fins se encontram perfeitamente - por exemplo, no cálculo do equilíbrio térmico da estrela tau-Ceti. Não, queridos, vocês não vão sair com uma "exceção" aqui. Na sua opinião, a formação de gelo em corpos d'água abertos também deveria ser acompanhada por um efeito térmico - só que agora o mesmo “calor de fusão” deveria ser liberado. Vocês, meus queridos, deram-se ao trabalho de descobrir - a que resultados isso deve levar? O gelo cresce de baixo para cima e a condutividade térmica do gelo é duas ordens de magnitude pior do que a da água. Portanto, praticamente todo o "calor de fusão" deve ser liberado na água sob o gelo. Se substituirmos os valores de referência na equação de balanço de calor mais simples para o caso em consideração, verifica-se que a formação de uma camada de gelo de 1 mm causaria o aquecimento de uma camada adjacente de 1 mm de água em 70 graus (e um Camada de água de 0,5 mm - até 140 graus; no entanto, já a 100^OComeçaria a ferver). Gostam deste resultado, queridos? Talvez você diga que não levamos em consideração a mistura térmica da água em vão? Na verdade, no intervalo de 0^O até 4^OC, a água mais quente afunda e a água mais fria sobe. Que! Mas, mesmo sob as condições dessa mistura, se houvesse uma fonte de calor na superfície da água, a água acima seria mais quente do que abaixo. Na verdade, o perfil típico de temperatura do Ártico na água sob o gelo é o seguinte: a água em contato com o gelo tem uma temperatura próxima ao ponto de congelamento e, à medida que a profundidade aumenta (dentro de uma certa camada), a temperatura aumenta. Esta é uma evidência óbvia: não há fluxo de calor do gelo para a água, mesmo do gelo em crescimento. Os oceanologistas perceberam isso há muito tempo, então inventaram um idiota: "". O que esse calor faz a seguir, que é calculado, em escala regional, em trilhões de quilocalorias - os oceanólogos não se importam mais; deixe os engenheiros atmosféricos lidarem com esse calor ainda mais. Pode-se pensar que os oceanólogos não sabem que a condutividade térmica do gelo é duas ordens de magnitude pior do que a da água. Para onde, podemos nos perguntar, as expedições ao Ártico estão indo continuamente, e o que os hidrólogos estão fazendo lá junto com os meteorologistas - eles estão cortando esculturas de gelo ou o quê?

E não há necessidade de marchar até o Ártico para ter certeza de que não haverá liberação de calor quando a água congelar. Na TV, MythBusters mostrou uma experiência altamente reproduzível. Uma garrafa de cerveja líquida super-resfriada é cuidadosamente retirada da geladeira. Você cutuca esta garrafa - e a cerveja nela congela em flocos de gelo em alguns segundos. E a garrafa fica fria … Essa experiência tem um tremendo poder de popularização. Palavras-chave: “quente, frio, garrafa, cerveja” - tudo é muito inteligível. Mesmo para os acadêmicos de hoje.

Imagine como é difícil para esses acadêmicos: como não há "calor latente de fusão", você não só terá que reescrever a física para a sétima série, mas também dar desculpas - como alguns químicos medievais Black e Wilke os enganaram. E como se justificar se os acadêmicos ainda não entendem o segredo desse truque? Ok, vamos mostrar a você. O segredo é que o gelo a 0^O, depois de misturado com água quente, não aumenta sua temperatura: derrete a uma temperatura constante. E até que derreta completamente, é uma fonte de resfriamento: a água em contato com ela, que no início era quente, torna-se quente, depois fria, depois gelo … com pesos iniciais iguais de gelo em 0^OC e água a 70^OС, toda a água resultante estará em 0^OC. O caso, como você pode ver, é simples. Mas não, estão exigindo de nós uma explicação - mas de onde, dizem, saiu o calor que tinha a água quente? Amigos, essa pergunta seria pertinente se a lei da conservação do calor funcionasse na natureza. Mas a energia térmica não é conservada: ela é livremente convertida em outras formas de energia. A seguir, ilustraremos que um sistema fechado é perfeitamente capaz de alterar sua temperatura - e até de maneiras diferentes.

E quanto a uma transformação agregada da matéria como fusão, é óbvio que ela não precisa de nenhum "calor latente". Aqueça a amostra até seu ponto de fusão - e mantenha-a se necessário - e a amostra derreterá sem ajuda. Quem assistiu ao filme épico "O Senhor dos Anéis" provavelmente se lembra dos últimos segundos do Anel da Onipotência. Caiu na boca da "montanha que cospe fogo" - e agora jaz ali, jaz … aquece, aquece … e, finalmente - uma mordida! E em vez de um anel - já se espalhando gotículas. Essa cena fez muito sucesso para os cineastas. Sentido pleno de realidade!

(Um trecho com um anel pode ser visto no link:

O ouro tem boa condutividade térmica e o anel era minúsculo, então ele aqueceu totalmente de uma vez. E, imediatamente, todo o volume foi aquecido até o ponto de fusão - imediatamente e derreteu, sem demandas de calor desnecessárias. Aliás, testemunhas oculares do aquecimento de sucata, por exemplo, alumínio em fornos de indução, atestam: não se funde gradualmente, gota a gota - ao contrário, fragmentos salientes começam a flutuar e escorrer imediatamente por todo o seu volume. No caso do gelo, a ausência de demandas de calor desnecessárias para o derretimento não é óbvia simplesmente porque a condutividade térmica do gelo é muito pior do que a dos metais. Portanto, o gelo derrete gradualmente, gota a gota. Mas o princípio é o mesmo: o que é aquecido até o ponto de fusão - então imediatamente derrete.

O. Kh. Derevensky

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