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


  Stosunek zamiany
 
Stosunek zamiany
 
O
koło stu lat temu wykryto nowy trop, który prowadził do pojęcia ciepła, jako postaci energii; odkrywcą tego tropu był Mayer, a jego prawdziwość potwierdził doświadczalnie Joule. Dziwnym zbiegiem okoliczności wszystkie niemal podstawowe prace dotyczące istoty ciepła zawdzięczamy fizykom-amatorom, dla których fizyka była tylko ulubioną rozrywką. Należał do nich obrotny Szkot Black, lekarz niemiecki Mayer, wielki amerykański poszukiwacz przygód hrabia Rumford, który mieszkał później w Europie i wśród różnych innych zajęć pełnił również funkcje bawarskiego ministra wojny, a także angielski piwowar Joule, który w wolnym czasie wykonał pewne niezwykle doniosłe doświadczenia dotyczące zachowania energii.
       Joule potwierdził doświadczalnie przypuszczenie, że ciepło jest postacią energii, i wyznaczył stosunek zamiany. Warto zatrzymać się na chwilę nad samymi tylko wynikami Joule'a.
       Energia kinetyczna i potencjalna układu tworzą razem jego energię mechaniczną. W przypadku kolejki z lunaparku podejrzewaliśmy, że część energii mechanicznej zamieniła się w ciepło. Jeśli tak jest, to zarówno tu, jak w innych procesach fizycznych musi pomiędzy tymi dwiema wielkościami – energią mechaniczną a ciepłem – istnieć określony stosunek zamiany. Jest to zagadnienie ściśle ilościowe, ale fakt, że zadaną ilość energii mechanicznej można zamienić na określoną ilość ciepła, jest ogromnie ważny. Chcielibyśmy znać liczbę określającą stosunek zamiany, to znaczy wiedzieć, ile ciepła można otrzymać z zadanej ilości energii mechanicznej.
       Wyznaczenie tej liczby było celem badań Joule'a. Mechanizm zastosowany w jednym z jego doświadczeń bardzo przypomina zegar wagowy. Nakręcenie takiego zegara polega na podniesieniu dwóch ciężarków, przez co udziela się układowi energii potencjalnej. Jeżeli później zegara nie rusza się, to można go uważać za układ zamknięty.
Ciężarki stopniowo opadają i zegar chodzi. Po pewnym czasie ciężarki osiągną swe najniższe położenie i zegar stanie. Co się stało z energią? Energia potencjalna ciężarków zamieniła się w energię kinetyczną mechanizmu, a ta z kolei stopniowo rozproszyła się w postaci ciepła.
       Pomysłowa odmiana takiego urządzenia pozwoliła Joule'owi zmierzyć stratę ciepła, a tym samym wyznaczyć stosunek zamiany. W przyrządzie Joule'a dwa ciężarki napędzały obracający się w wodzie wiatraczek. Energia potencjalna ciężarków zamieniała się w energię kinetyczną części ruchomych i z kolei w ciepło, które podnosiło temperaturę wody. Joule zmierzył ten przyrost temperatury i znając ciepło właściwe wody, obliczył ilość pochłoniętego ciepła. Wyniki wielu prób ujął następująco:
1. Ilość ciepła wytworzonego w wyniku tarcia ciał zarówno stałych, jak i płynnych jest zawsze proporcjonalna do ilości wydatkowanej siły (przez siłę Joule rozumie energię)
       oraz
2. Ilość ciepła wystarczająca do podniesienia temperatury funta wody [ważonej w próżni i mającej temperaturę między 55 a 60°] o 1°F wymaga dla swej przemiany wydatkowania siły [energii] mechanicznej, wyrażonej spadkiem 722 funtów z wysokości jednej stopy.
       Innymi słowy, energia potencjalna 772 funtów podniesionych na wysokość jednej stopy jest równoważna ilości ciepła potrzebnej do podniesienia temperatury jednego funta wody od 55°F do 56°F. W późniejszych doświadczeniach udało się osiągnąć większą dokładność i dziś przyjmuje się, że ilości ciepła potrzebnej do podniesienia temperatury jednego kilograma wody od 14,5°C do 15,5°C równoważna jest energia potencjalna 427 kilogramów podniesionych na wysokość jednego metra. Istotnym wynikiem pionierskiej pracy Joule'a było właśnie wyznaczenie mechanicznego równoważnika ciepła.
       Uzyskanie tego ważnego wyniku stało się początkiem dalszego szybkiego postępu. Wkrótce zrozumiano, że te rodzaje energii – mechaniczna i cieplna – są tylko dwiema z wielu jej postaci. Wszystko, co można zamienić w jedną z tych dwóch postaci, jest też postacią energii. Promieniowanie Słońca jest energią, gdyż część jego zamienia się na Ziemi w ciepło. Prąd elektryczny posiada energię, gdyż rozgrzewa drut lub obraca wał silnika. Węgiel stanowi przykład energii chemicznej wyzwalanej w postaci ciepła w procesie spalania. Każdemu zjawisku przyrody towarzyszy zamiana jednej postaci energii w drugą – zawsze w ściśle określonym stosunku. W układzie zamkniętym, to znaczy odizolowanym od wpływów zewnętrznych, energia zostaje zachowana, a więc zachowuje się jak substancja. Suma wszystkich możliwych rodzajów energii jest w takim układzie stała, choć ilość energii każdego rodzaju może się zmieniać. Jeśli uważać cały wszechświat za układ zamknięty, to można – wraz z fizykami dziewiętnastego stulecia – dumnie oświadczyć, że energia wszechświata jest niezmienna i że żadna jej część nie może być nigdy stworzona ani zniszczona.
       Mamy więc dwa rodzaje substancji, materię i energię. Obydwie podlegają prawom zachowania: ani masa, ani całkowita energia układu odosobnionego nie może się zmienić. Materia jest ważka, energia zaś nieważka. Mamy zatem dwa różne pojęcia i dwa prawa zachowania. Czy poglądy te i dziś jeszcze należy brać poważnie? Czy też może ten pozornie tak dobrze ugruntowany obraz zmienił się w świetle nowszych odkryć? Zmienił się! Dalsze zmiany obu pojęć wiążą się z teorią względności. Do zagadnienia tego wrócimy później.
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