Fizyka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
 Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Fizyka > Wielkie wykłady - Ewolucja fizyki 
  Indeks
Wielkie wykłady
Jak powstawała
Ewolucja fizyki

Triumfy poglądu
mechanistycznego

Wielka powieść . . .
Pierwszy trop
Wektory
Zagadka ruchu
Jeszcze jeden trop
Czy ciepło jest . . .
Kolejka w lunaparku
Stosunek zamiany
Podłoże filozoficzne
Kinetyczna teoria . . .
Streszczamy
Upadek poglądu
mechanistycznego

Pole i teoria
względności

Kwanty
  Źródło
Albert Einstein, Leopold Infeld
EWOLUCJA FIZYKI
Rozwój poglądów od najważniejszych pojęć do teorii względności i kwantów

W przekładzie Ryszarda Gajewskiego


  Czy ciepło jest substancją
 
Czy ciepło jest substancją
 
Z
aczniemy teraz postępować nowym tropem, biorącym początek w dziedzinie zjawisk cieplnych. Nie sposób jednak dzielić naukę na odrębne i nie związane ze sobą działy. Istotnie, wkrótce przekonamy się, że wprowadzone tu nowe pojęcia splatać się będą zarówno z terminami już znanymi, jak i z tymi, które wprowadzimy dopiero w przyszłości. Sposób rozumowania ukształtowany w jednej gałęzi wiedzy można bardzo często stosować do opisu zjawisk pozornie zupełnie różnych. W procesie tym pojęcia pierwotne ulegają często modyfikacji, w wyniku której lepiej rozumiemy zarówno zjawiska, z których te pojęcia wyrosły, jak i zjawiska, do których zostały teraz zastosowane.
       Podstawowymi pojęciami w opisie zjawisk cieplnych są temperatura i ciepło. Rozróżnienie tych dwóch pojęć przyszło w dziejach nauki niewiarygodnie późno; gdy jednak nastąpiło, stało się początkiem szybkiego postępu. Choć terminy te są dziś znane każdemu, przyjrzymy się im bliżej, podkreślając istniejące między nimi różnice.
       Zmysł dotyku mówi nam wyraźnie, że jedne ciała są gorące, inne – zimne. Jest to jednak kryterium czysto jakościowe, nie wystarczające do opisu ilościowego, a czasem wręcz zawodne. Świadczy o tym znane doświadczenie: mamy trzy naczynia zawierające odpowiednio wodę zimną, letnią i gorącą. Jeśli zanurzymy jedną rękę w zimnej wodzie, a drugą w gorącej, to z pierwszej otrzymamy sygnał mówiący, że woda jest zimna, z drugiej zaś – że jest gorąca. Jeśli teraz zanurzymy obie ręce naraz w letniej wodzie, to sygnał odebrany z jednej ręki będzie sprzeczny z sygnałem z drugiej. Z tego samego powodu Eskimos i mieszkaniec okolic równikowych, spotkawszy się pewnego wiosennego dnia w Nowym Jorku, będą mieli odmienne poglądy na to, czy klimat jest zimny, czy gorący. Wszelkie tego rodzaju zagadnienia rozstrzygamy za pomocą termometru, przyrządu, który w prymitywnej postaci zaprojektował Galileusz – znów to znane nazwisko! Użycie termometru opiera się na pewnych oczywistych założeniach fizycznych. Aby je przypomnieć, przytoczymy kilka wierszy z wykładów wygłoszonych około stu pięćdziesięciu lat temu przez Josepha Blacka, który wielce się przyczynił do wyjaśnienia trudności związanych z pojęciami ciepła i temperatury:
Dzięki użyciu tego przyrządu dowiedzieliśmy, że jeśli weźmiemy 1000 lub więcej różnych rodzajów materii, takich jak metale, kamienie, sole, drzewo, pierze, wełna, woda i rozmaite inne ciecze i umieścimy je w jednym pokoju, w którym nie pali się ogień i do którego nie dochodzi słońce, to – choćby na początku ich ciepła były wszystkie różne – w ciągu kilku godzin lub w ciągu dnia ciepło od ciał cieplejszych przejdzie do zimniejszych, po czym, jeśli przyłoży się do nich kolejno termometr, wskaże on dokładnie ten sam stopień.
Wyróżnione pochyłym drukiem słowo ciepło należy według dzisiejszej terminologii zastąpić słowem temperatura.
       Lekarz wyjmujący termometr z ust chorego mógłby rozumować mniej więcej tak: „Długość słupka rtęci wskazuje temperaturę własną termometru. Zakładamy, że długość słupka rtęci wzrasta proporcjonalnie do wzrostu temperatury. Ale termometr stykał się przez parę minut z moim pacjentem, tak że temperatura pacjenta i termometru jest taka sama. Wnioskuję więc, że temperatura wskazana przez termometr jest temperaturą pacjenta”. Zapewne lekarz postępuje machinalnie, jednakże stosuje on zasady fizyki, wcale o nich nie myśląc.
       Ale czy termometr zawiera taką samą ilość ciepła, co ciało człowieka? Oczywiście nie. Zakładanie, że dwa ciała zawierają jednakowe ilości ciepła, tylko dlatego, że mają one jednakowe temperatury, byłoby, jak zauważył Black,
zbyt pochopnym wyrabianiem sobie poglądu na sprawę. Oznaczałoby to mylenie ilości ciepła w różnych ciałach z jego ogólną siłą lub natężeniem, mimo że są to oczywiście dwie różne rzeczy, które przy rozpatrywaniu rozkładu ciepła powinno się zawsze rozróżniać.
Rozróżnianie to łatwo zrozumieć na przykładzie prostego doświadczenia. Jeśli nad płomieniem gazowym umieścić kilogram wody, to ogrzanie go od temperatury pokojowej do punktu wrzenia wymaga pewnego czasu. Znacznie dłuższego czasu wymaga ogrzanie w tym samym zbiorniku i nad tym samym płomieniem na przykład dwunastu kilogramów wody. Tłumaczymy to tym, że teraz potrzeba więcej „czegoś” i nazywamy to „coś” ciepłem.
       Aby wprowadzić dalsze ważne pojęcie ciepła właściwego, posłużymy się następującym doświadczeniem: niech jedno naczynie zawiera kilogram wody, drugie – kilogram rtęci. Oba należy ogrzać tak samo. Rtęć ogrzewa się znacznie szybciej niż woda, co oznacza, że do spowodowania wzrostu temperatury o jeden stopień potrzeba mniej „ciepła”. W ogóle do tego, by zmienić o jeden stopień, na przykład od 40 do 41 stopni Celsjusza, temperaturę różnych substancji, takich jak woda, rtęć, żelazo, miedź, drzewo itd. – wszystkich o jednakowej masie, potrzeba różnych ilości „ciepła”. Mówimy, że każda substancja ma swą własną pojemność cieplną, swoje własne ciepło właściwe.
       Dysponując już pojęciem ciepła, możemy zbadać je dokładniej. Mamy dwa ciała, jedno gorące, drugie zimne, lub ściślej – jedno o temperaturze wyższej niż drugie. Stykamy te ciała ze sobą, uwalniając je od wszelkich wpływów zewnętrznych. Wiemy, że z czasem osiągną one tę samą temperaturę. Ale jak się to dzieje? Co zachodzi między chwilą zetknięcia a momentem, w którym temperatury się już wyrównały? Nasuwa się obraz ciepła „płynącego” z jednego ciała do drugiego, tak jak woda płynie z poziomu wyższego do niższego. Obraz ten, choć prymitywny, wydaje się zgodny z wieloma faktami, tak więc analogia ma kształt następujący:
woda ciepło
wyższy poziom wyższa temperatura
niższy poziom niższa temperatura
Przepływ trwa tak długo, póki oba poziomy, to znaczy obie temperatury się nie zrównają. Ten naiwny obraz można uczynić bardziej pożytecznym przez wprowadzenie rozważań ilościowych. Jeżeli zmiesza się określone masy wody i alkoholu, z których każda ma określoną temperaturę, to znajomość ciepła właściwego każdej cieczy pozwoli przewidzieć temperaturę końcową mieszaniny. Na odwrót, pomiar temperatury końcowej pozwoli – po prostych przekształceniach algebraicznych – znaleźć stosunek ciepła właściwego jednej cieczy do ciepła właściwego drugiej.
       W występującym tu pojęciu ciepła dostrzegamy podobieństwo do innych pojęć fizycznych. Ciepło jest w naszym rozumieniu substancją, taką jak masa w mechanice. Ilość jego może się zmieniać lub pozostawać niezmienna, podobnie jak pieniądze mogą być odłożone w skarbonce lub wydawane. Dopóki skarbonka jest zamknięta, zawarta w niej suma nie zmienia się, podobnie jak się nie zmienia masa i ilość ciepła ciał izolowanych od otoczenia. Odpowiednikiem takiej skarbonki jest doskonały termos. Dalej, podobnie jak masa układu odosobnionego nie zmienia się, nawet gdy zachodzi przemiana chemiczna, podobnie ciepło zostaje zachowane nawet wtedy, gdy przepływa ono od ciała do ciała. Nawet w przypadku, gdy ciepła używamy nie do podniesienia temperatury ciała, lecz na przykład do topienia lodu lub do zmiany wody w parę – możemy nadal uważać je za substancję i odzyskać je całkowicie przez zamrożenie wody czy skroplenie pary. Dawne nazwy – ciepło utajone topnienia lub parowania – wskazują, że pojęcia te wywodzą się z obrazu ciepła jako substancji. Ciepło utajone pozostaje chwilowo ukryte jak pieniądze w skarbonce, jednakże można je odzyskać, jeśli tylko zna się sekret zamka.
       Ale ciepło z pewnością nie jest substancją w tym samym znaczeniu, co masa. Masę można wykryć, używając wagi, a jak jest z ciepłem? Czy rozżarzony do czerwoności kawałek żelaza waży więcej niż lodowato zimny? Doświadczenie uczy, że nie. Jeżeli ciepło w ogóle jest substancją, to jest substancją nieważką. „Substancja cieplna” nazywana była cieplikiem i jest pierwszą poznaną przez nas przedstawicielką całej rodziny substancji nieważkich. W dalszym ciągu będziemy mieli sposobność przyjrzeć się historii tej rodziny, jej rozwojowi i upadkowi. W tym miejscu wystarczy zanotować narodziny tego właśnie szczególnego jej przedstawiciela.
       Zadaniem każdej teorii fizycznej jest wyjaśnienie możliwie najszerszego zakresu zjawisk. Teoria jest uzasadniona o tyle, o ile objaśnia fakty. Widzieliśmy, że teoria substancji tłumaczy wiele zjawisk cieplnych. Wkrótce jednak okaże się, że i ten trop jest fałszywy i że ciepła nie można uważać za substancję – nawet nieważką. Staje się to oczywiste, gdy rozważy się pewne proste doświadczenie związane z początkiem cywilizacji.
       Substancję wyobrażamy sobie jako coś, czego nie można ani stworzyć, ani zniszczyć. A przecież człowiek pierwotny stwarzał za pomocą tarcia tyle ciepła, że wystarczało go do zapalenia drzewa. Przykłady ogrzewania się w wyniku tarcia są zresztą zbyt liczne i dobrze znane, by je tu jeszcze wyliczać. We wszystkich tych przypadkach wytwarza się pewna ilość ciepła, co trudno byłoby wytłumaczyć za pomocą teorii substancjalnej. Co prawda zwolennik tej teorii mógłby wymyślić argumenty, które by to wyjaśniały. Rozumowałby mniej więcej tak: „Teoria substancjalna jest w stanie wytłumaczyć pozorne tworzenie się ciepła. Weźmy najprostszy przykład dwóch pocieranych o siebie kawałków drzewa. Otóż pocieranie wpływa na drzewo i zmienia jego własności. Bardzo możliwe, że nie zmieniona ilość ciepła wytwarza teraz temperaturę wyższą niż uprzednio. Ostatecznie obserwujemy tylko wzrost temperatury. Możliwe, że tarcie zmienia nie całkowitą ilość ciepła, a tylko ciepło właściwe drzewa”.
       W tym stadium dyskusji dalsze prowadzenie sporu ze zwolennikiem teorii substancjalnej nie doprowadziłoby do niczego, jest to bowiem kwestia, którą może rozstrzygnąć tylko doświadczenie. Wyobraźmy sobie dwa identyczne kawałki drzewa i przypuśćmy, że doznają one jednakowego przyrostu temperatury, jednak każdy na inny sposób: jeden przez tarcie, drugi – na przykład przez zetknięcie się z grzejnikiem. Jeżeli w nowej temperaturze oba kawałki będą miały takie samo ciepło właściwe, to cała teoria substancjalna musi upaść. Istnieją bardzo proste metody wyznaczania ciepła właściwego i od wyniku takich właśnie pomiarów zależy los teorii. Próby, które decydują o życiu lub śmierci teorii, zdarzają się w historii fizyki często i noszą nazwę doświadczeń rozstrzygających. Rozstrzygająca wartość doświadczenia przejawia się jedynie w sposobie sformułowania pytania, przy czym może ono decydować tylko o jednej teorii zjawisk. Typowym przykładem doświadczenia rozstrzygającego jest wyznaczenie ciepła właściwego dwóch ciał tego samego rodzaju i o tych samych temperaturach osiągniętych odpowiednio w wyniku tarcia i w wyniku przepływu ciepła. Doświadczenie to wykonał mniej więcej sto pięćdziesiąt lat temu Rumford, zadając śmiertelny cios substancjalnej teorii ciepła.
       Oto słowa Rumforda:
Często się zdarza, że przy okazji zwykłych spraw i zajęć życia codziennego trafiają się sposobności rozważania pewnych niezwykle ciekawych zjawisk przyrody; można przy tym – niemal bez trudu i kosztów, korzystając z urządzeń pomyślanych do obsłużenia czysto mechanicznych potrzeb sztuki i rzemiosł – przeprowadzać bardzo ciekawe doświadczenia naukowe.
Spostrzeżenie to miałem okazję czynić niejednokrotnie; jestem przy tym przekonany, że zwyczaj trzymania oczu otwartych na wszystko, co się dzieje w zwykłym biegu spraw życia codziennego, częściej doprowadzał, jak gdyby przypadkiem lub poprzez swobodne wycieczki pobudzonej rozważaniem najpowszedniejszych zjawisk wyobraźni, do pożytecznych wątpliwości i rozsądnych pomysłów badań i ulepszeń, niż wszystkie wytężone medytacje filozofów prowadzone w specjalnie na to przeznaczonych godzinach [...].
Nadzorując ostatnio wiercenie armat w warsztatach arsenału wojskowego w Monachium, byłem zaskoczony bardzo znaczną ilością ciepła, jaką w krótkim czasie uzyskuje wiercone działo mosiężne, a także jeszcze większym ciepłem (jak stwierdziłem doświadczalnie, znacznie większym niż w przypadku wrzącej wody) wiórów metalowych odrywanych od niego wiertłem [...].
Skąd się bierze ciepło wytwarzane w wyżej wspomnianym procesie mechanicznym?
Czy dostarczają go wióry metalowe odrywane przez wiertło od stałej masy metalu?
Gdyby tak było, to według współczesnej teorii ciepła utajonego i cieplika, nie tylko powinna by się zmienić pojemność cieplna, ale jej zmiana powinna być dostatecznie duża, by zdać sprawę z całego wytworzonego ciepła.
Zmiany takiej jednak nie było; albowiem biorąc równe wagowo ilości tych wiórów oraz cienkich skrawków uciętych z tego samego bloku metalu ostrą piłą i umieszczając je, gdy miały równe temperatury (wrzącej wody), w równych ilościach zimnej wody (to jest w temperaturze 59 1/2°F) stwierdziłem, że woda, do której włożono wióry, nie była w żadnym widocznym stopniu ogrzana mniej lub bardziej niż woda, do której włożono skrawki.
Ostateczny wniosek Rumforda brzmi:
Rozważając tę sprawę, nie wolno zapominać o niezwykle doniosłej okoliczności, że źródło ciepła wytwarzanego w owych doświadczeniach okazało się wyraźnie n i e w y c z e r p a n e.
Nie trzeba chyba dodawać, że jeżeli dowolne ciało i z o l o w a n e od otoczenia może dostarczać czegoś b e z o g r a n i c z e n i a, to nie może to być s u b s t a n c j a m a t e r i a l n a; i wydaje mi się niezwykle trudne, jeśli nie w ogóle niemożliwe, jasne wyobrażenie sobie czegoś, co mogłoby być wzbudzane i przekazywane, tak jak w tych doświadczeniach było wzbudzane i przekazywane ciepło – a co nie byłoby R U C H E M.
Widzimy więc, że stara teoria załamuje się, lub ściślej – widzimy, że teoria substancjalna jest ograniczona do zagadnień przepływu ciepła. Znów, jak stwierdził Rumford, szukać musimy nowego tropu. W tym celu porzućmy na chwilę zagadnienie ciepła i powróćmy do mechaniki.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach