Michael Fowler

Aceasta este o prelegere fără ecuații care prezintă dezvoltarea paralelă a tehnologiei și a înțelegerii naturii căldurii și a modului în care cele două se întrepătrund.

Când curge căldură, curge ceva de fapt?

Până la sfârșitul anilor 1700, experimentele lui Fahrenheit, Black și alții stabiliseră un mod sistematic și cantitativ de măsurare a temperaturilor, a fluxurilor de căldură și a capacităților de căldură - dar acest lucru nu a arătat nici o lumină nouă doar ce curgea.В Acesta a fost un moment în care studiul energiei electrice era la modă, condus în America de Benjamin Franklin, care sugerase în 1747 că electricitatea era un fluid (invizibil) (anterior se sugerase că există două fluide, corespunzător celor două tipuri de încărcare electrică observate) .В

Teoria fluidelor calorice de Lavoisier

Poate că în 1787, Lavoisier, fondatorul francez al chimiei moderne, a crezut acest lucru și l-a numit fluidele invizibile? lichid caloric, din cuvântul grecesc pentru căldură. (Lavoisier a fost primul care a încercat să enumere un tabel de elemente, pentru a înlocui elementele antice ale pământului, aerului, apei și focului. Lista sa de treizeci și trei de elemente includea hidrogen, oxigen, sulf, cărbune etc., dar și el inclus caloric- și lumină.)

Lavoisier și soție, de David, de la Wikimedia Commons .

este

Diferite alte efecte ar putea fi explicate prin teoria calorică: atunci când un gaz este comprimat brusc, se încălzește deoarece aceeași cantitate de caloric ocupă acum un volum mai mic. Când două solide sunt frecate împreună, unele calorice sunt stoarse la suprafețe, sau poate mici bucăți de material sunt eliminate și își pierd caloriile, așa că apare căldura. Se presupunea că căldura radiantă este particule calorice care zboară prin spațiu. Amintiți-vă că în acel moment (chiar înainte de 1800) era general acceptat că ușoară a fost un flux de particule.

Revoluția industrială și roata apei

În 1769, un perucerie Lancashire, Richard Arkwright, a brevetat o mașină de filat de bumbac de succes. Lancashire fusese multă vreme un centru al comerțului cu textile, dar înainte de Arkwright țesăturile erau țesute pe războinici de mână de către țesători calificați. Noile mașini puteau fi operate de muncitori mai puțin calificați și, de fapt, erau exploatate în mare parte de copii, deși, spre deosebire de unii dintre concurenții săi, Arkwright a refuzat să angajeze orice copil mai mic de șase ani. Puterea motrice care conducea mașinile era la început cai, dar în 1771 Arkwright a construit o fabrică mare care conținea multe mașini, toate acționate de o roată de apă. a fost începutul sistemului modern de producție de masă. Prețurile au scăzut și țesătorii de mână calificați s-au sărăcit.

Cu toate acestea, interesul nostru pentru acest lucru nu este consecințele sociale, ci doar roata de apă. Anterior, roțile de apă erau folosite de secole pentru a măcina făina și în alte scopuri, dar eficiența lor nu fusese o preocupare majoră. cu toate acestea, cu cât roata este mai eficientă, cu atât mai mulți copii ar putea fila bumbacul și cu atât profiturile vor fi mai mari. În douăzeci de ani mai devreme, John Smeaton (primul englez care s-a numit inginer civil) a investigat diferite tipuri de roți cu apă și a găsit tipul de depășire (în care apa se revarsă pe vârful roții) pentru a obține cele mai bune performanțe.

Pictură de Joseph Wright, Wikimedia Commons.

Măsurarea puterii prin ridicare

Puterea de ieșire a unei roți de apă poate fi măsurată folosind-o pentru a crește o sarcină - în acele zile, ar fi câte kilograme ar putea fi ridicate printr-un picior pe secundă, să spunem (acum am folosi doar wați și este amuzant să observăm că prima unitate de putere, puterea, a fost propusă în 1783 de James Watt să fie de 33.000 de lire sterline pe minut). reversibil roată de apă, care ar putea fi rulată înapoi, pentru a ridica din nou apa înapoi. Acest lucru este vizualizat cel mai bine având o roată cu o serie de găleți atașate. Să presupunem că roata este rulată pentru o perioadă de timp și puterea sa este utilizată pentru a ridica o greutate la o anumită distanță. Acum inversați-o, lăsați greutatea să cadă, rulând rotiți înapoi, asigurându-vă că gălețile se umple acum în partea de jos și se golesc în partea de sus. Câtă apă este ridicată înapoi? O roată cu adevărat reversibilă ar pune toată apa înapoi. Știm că acest lucru nu se va întâmpla, dar dacă roata inversată reușește să se ridice jumătate apa înapoi, să zicem, atunci este 50% eficientă

La construirea primei fabrici, roata de apă nu a fost plasată doar sub o cascadă. Apa a fost canalizată către aceasta pentru o eficiență maximă.Smeaton a stabilit că debitul de apă în găleți trebuie să fie cât mai netedă.Turbulența a fost un efort irosit - nu a ajutat roata să se învârtă. Apa ar trebui să curgă pe roată, să nu cadă de la o anumită înălțime. În cele din urmă, roata perfectă (nu prea realizabilă în practică) ar fi reversibilă - ar putea fi rulată înapoi pentru a pune apa înapoi folosind aceeași cantitate de muncă pe care a livrat-o. în primul rând.В

Roata de apă calorică a lui Carnot

Fabrica lui Arkwright a avut un succes atât de mare încât în ​​câțiva ani au fost construite fabrici similare oriunde ar putea fi acționată economic o roată de apă în nordul Angliei. Următorul pas a fost utilizarea energiei cu abur, care fusese dezvoltată în secolul anterior pentru a scoate apa din mine. . Pe măsură ce designul mașinilor cu abur s-a îmbunătățit, economia engleză a crescut cu mult înaintea concurenților europeni ”, dar spre deosebire de zilele noastre, aceste progrese tehnologice nu au datorat aproape nimic științei de bază.

Prima încercare de a analiza motorul cu aburi într-un mod științific a fost făcută de un francez, Sadi Carnot, în 1820 - și s-a bazat foarte mult pe o analogie cu roata de apă. În motorul cu abur, căldura a fost livrată apei pentru a fierbe aburul. care este direcționat printr-o țeavă către un cilindru unde împinge un piston. Pistonul funcționează, de obicei prin rotirea unei roți, aburul se răcește și vaporii relativ reci sunt expulzați, astfel încât pistonul va fi gata pentru următoarea doza de abur.В

Unde este analogia cu roata de apă? În reamintim că căldura era văzută ca un fluid invizibil, impulsionat de natura sa să curgă din Fierbinte obiectează la rece obiecte.În apă curge întotdeauna din înalt locuri unde scăzut locuri. Carnot le-a văzut ca pe procese paralele - și, la fel cum o roată de apă extrage lucrări utile din căderea apei, a văzut că motorul cu aburi extrage lucrările din fluidul caloric, pe măsură ce cascada de la un obiect fierbinte la un obiect rece.

Cât de eficiente sunt aceste mașini?

Așa cum am discutat, o roată de apă obișnuită este cea mai eficientă dacă apa curge în interior și în afară foarte ușor, astfel încât nu se irosește energie în turbulență sau stropire. Dacă am putea face o astfel de roată cu rulmenți fără frecare etc., atunci ar putea fi făcută să conducă o roată dublă care merge înapoi, care ar putea ridica din nou toată apa. Această roată idealizată ar fi 100% eficientă.

Motorul termic idealizat al lui Carnot avea gaz într-un cilindru care împingea un piston pe măsură ce se extindea, lucrând. Căldura a fost introdusă în gaz, s-a extins, apoi s-a întrerupt alimentarea cu căldură, dar gazul fierbinte a continuat să se extindă și să se răcească în același timp. Pistonul a inversat direcția, iar căldura generată de compresie a fost lăsată să curgă într-un radiator, până când a fost atins un anumit punct în care chiuveta a fost deconectată, iar compresia ulterioară a încălzit gazul la temperatura inițială, la ce punct ciclul a început din nou. Vom discuta despre așa-numitul ciclu Carnot mai mult în detaliu mai târziu, tot ce trebuie să-l luăm în acest moment este că căldura este furnizată gazului la o temperatură ridicată și curge către chiuvetă la o temperatură mai scăzută.ÎN

Această „cădere” a „fluidului caloric” de la cald la rece este analogia cu roata de apă. Carnot a susținut că dacă toate fricțiunile ar fi eliminate, iar fluxul de căldură în și din gaz ar fi neted „mergând dintr-un loc în altul în același timp temperatura, la fel ca apa care se mișcă lin pe roata de apă, fără să cadă pe ea, atunci ne-am putea imagina un motor termic reversibil: puterea de lucru ar putea fi utilizată pentru a conduce un motor similar în sens invers care ar lua căldura dintr-un loc rece și expulzați-l într-un loc mai cald (adică frigider).

Carnot a constatat, în mod deloc surprinzător, că cantitatea de muncă pe care un motor perfect o poate furniza pentru o anumită cantitate de căldură crește odată cu creșterea diferenței de temperatură între sursa de căldură și radiator. În mod evident, roțile de apă obțin mai multă energie din aceeași cantitate de apă dacă roata este mai mare, așa că apa are mai jos

Pentru o anumită diferență de temperatură, atunci, o anumită cantitate de căldură poate produce atât de multă muncă. Și acest lucru este destul de independent de materialele utilizate la construirea motorului, inclusiv de gazul în sine.

După cum vom discuta în detaliu mai târziu, el a reușit să găsească pentru un astfel de motor cât de multă muncă ar putea îndeplini motorul pentru o anumită cantitate de căldură, iar răspunsul a fost surprinzător de scăzut. În plus, niciun motor nu ar putea fi vreodată mai eficient decât un motor reversibil, deoarece dacă ar fi, ar putea fi folosit pentru a conduce motorul reversibil înapoi, înlocuind căldura din cuptor, cu energie de rezervă, și ar fi o mașină de mișcare perpetuă.

Presupunerea de bază a lui Carnot că căldura este un fluid a fost greșită, dar raționamentul său a fost suficient de generalizat încât concluziile sale despre eficiență au fost corecte și s-a dovedit a fi un pas crucial către înțelegerea motoarelor, așa cum vom vedea.

Contele Rumford

Imagine de la //www.rumford.com/Rumfordpicture.html, pictură originală Gainsborough în Muzeul Fogg, Harvard.

Oricând om de știință (cu o îndoială militară), el a petrecut mult timp pe experimente de artilerie.A folosit un pendul balistic pentru a afla cum viteza unui glonț a fost afectată de mici modificări în designul pistolului și în amestecul de praf de pușcă. El a respins opinia larg răspândită conform căreia praful de pușcă ușor umed era de fapt mai eficient.

A făcut o călătorie înapoi în America în 1781. În 1782 a învins cu câteva sute de soldați la Huntington, Long Island, stabilindu-și tabăra în curtea bisericii și forțând populația locală să construiască fortificații pentru tabăra sa folosind lemnele bisericii și garduri de cale ferată. A construit cuptoare de pâine folosind pietrele funerare. A proiectat o nouă căruță de armă care putea fi dezasamblată, purtată de trei cai, apoi pusă laolaltă și trasă într-un minut și un sfert. Dar războiul s-a încheiat. A ars tot lemnul, mai degrabă decât să-l dea înapoi oamenilor, și s-a întors la Londra.V

Încă entuziasmat de aventura militară, a decis să meargă la Viena, ceea ce părea un loc probabil de probleme. S-a promovat mai întâi la colonel complet, a dobândit uniforma splendidă și i-a pictat portretul de Thomas Gainsborough. Când a ajuns la Strasbourg, s-a întâmplat că era în curs de desfășurare o revizuire militară. În mod firesc, Thompson a apărut în întregime regalia, impresionându-l pe recenzor, care era un nepot al electorului Bavariei. Acest lucru i-a adus un post important în München, capitala Bavariei, iar printre celelalte atribuții ale sale, el trebuia să organizeze hrănirea și îmbrăcămintea armatei. El a adoptat o abordare practică, științifică. A cerut fiecărei garnizoane să își întrețină propria grădină de legume și a dat instrucțiuni despre cum să le folosească cel mai eficient din punct de vedere nutrițional. A realizat experimente privind conductivitatea termică relativă a diferitelor țesături și a constatat că aerul prins în țesături a fost cea mai importantă măsură de izolare termică. A decis că uniformele ar trebui să fie bumbac vara, lână iarna. A inventat lenjeria termică. În 1792, a devenit contele Rumford.

De asemenea, trebuie menționat faptul că a îmbunătățit foarte mult orașul în multe feluri: a inventat supa pentru cei săraci, idee care s-a răspândit în toată Europa. În Elveția, biletele de masă aveau poza lui Rumford. El a construit case de lucru, pentru a oferi șomerilor lucrări de confecționare a uniformelor pentru militari, a ajutat la proiectarea și amenajarea unui parc frumos, unde se află încă un memorial pentru el. De asemenea, a lucrat la multe îmbunătățiri interne, cum ar fi aragazul Rumford pentru mai multă căldură și mai puțin fum, aparate de cafea și o lumină eficientă, dar moale, aceasta ultima cel puțin parțial pentru că, pentru a-l cita, lumina misterioasă care provine din corpuri moderat iluminatul este cu siguranță cel mai favorabil frumuseții feminine, iar Rumford a fost un mare cunoscător al frumuseții feminine.

Teoria căldurii a lui Rumford

Contribuția la fizică pentru care este cel mai amintit a avut loc la München și a dat peste ea mai mult sau mai puțin accidental. Dar, așa cum remarcă el în prezentarea descoperirilor sale către Societatea Regală în 1798, „obiceiul de a ține ochii deschiși la tot ceea ce se întâmplă în cursul obișnuit al activității vieții a condus de multe ori, ca și cum ar fi fost întâmplător,„ ¦ la scheme sensibile de investigație - decât toate meditațiile mai intense ale filozofilor, în orele special stabilite pentru studiu.

El se uita la tunuri plictisitoare, întărind artileria bavareză în caz de atac al francezilor, dar la ceea ce se gândea era dacă fluidul caloric al lui Lavoisier exista cu adevărat sau nu. El era sceptic. în interiorul unui cilindru de alamă, puterea fiind furnizată de cai. Frecția burghiului de fier asupra alamei a generat căldură. Acest lucru a fost explicat în teoria calorică prin presiunea și mișcarea care stoarce fluidul caloric, în special din fragmentele care au fost tăiate.În Rumford a colectat cu atenție aceste fragmente și le-a găsit identice cu metalul obișnuit în capacitatea de căldură etc., nu păreau să fi pierdut nimic. Apoi a măsurat producția de căldură pentru o perioadă îndelungată, având cilindrul de alamă scufundat în apă și izolat. După măcinarea prelungită, apa (doi galoane) a început să fiarbă. un eveniment uimitor! Pentru a cita din contul său:

• La 2 ore și 20 de minute era 200 °; iar la 2 ore 30 de minute a FIERBUT DE FAPT!

„Ar fi dificil să descriem surpriza și uimirea exprimate în fața celor din față, văzând o cantitate atât de mare de apă rece încălzită și făcută să fiarbă fără niciun foc.

Rumford continuă analiza întregului experiment cantitativ: el dă greutatea cutiei și astfel estimează cantitatea de căldură pe care o absoarbe, precum și alte părți ale aparatului care au devenit calde și măsoară viteza de răcire cu măcinarea oprită. pentru a estima cantitatea de căldură scursă în timpul alergării. Ținând cont de toți acești factori, el a estimat că producția de căldură este echivalentă cu lumânări de nouă inci aprinse continuu. Cu mult înainte de a fi formulat conceptul, Rumford a măsurat echivalentul mecanic al căldurii, cel puțin aproximativ. De fapt, mulți ani mai târziu, Joule a trecut peste cifrele lui Rumford și a constatat că se află la aproximativ 20% din răspunsul corect. Rumford și-a dat seama, desigur, că nu era o modalitate bună de a produce căldură așa cum a remarcat el, ar fi putut fi câștigată mai multă căldură pur și simplu prin arderea furajelor cailor. Adevăratul său interes aici a fost demolarea teoriei calorice.

În În În În В В В В В В В В В В В В В В В В В. nu trebuie să uităm să luăm în considerare faptul că cea mai remarcabilă circumstanță, că sursa căldurii generate de frecare, în aceste experimente, a părut evident a fi inepuizabil.Cu greu este necesar să adăugăm că orice lucru pe care orice corp izolat sau sistem de corpuri îl poate furniza în continuare fără limitare, nu poate fi o substanță materială și mi se pare extrem de dificil, dacă nu chiar imposibil, formează orice idee distinctă a oricărui lucru, capabilă să fie excitată și comunicată, în modul în care căldura a fost excitată și comunicată în aceste Experimente, cu excepția faptului că este MOTION.

Exact ceea ce a vrut să spună Rumford prin MOTION a fost dezbătut, dar a fost un anumit tip de vibrație internă a materialului, poate doar legat în mod îndepărtat de imaginea noastră modernă, bazată pe atomi, a vibrațiilor de căldură. Totuși, punând dubii reale asupra teoriei calorice, El a stabilit, de asemenea, că, dacă un lichid caloric a existat într-adevăr, era cu siguranță foarte ușor! A luat trei sticle de sticlă identice conținând greutăți egale de apă, respectiv mercur și alcool, le-a făcut exact egale în greutate prin legarea unor mici lungimi de sârmă în jurul gâtului., apoi le-a răcit până când apa a înghețat și le-a cântărit din nou. a rămas exact la fel, într-o parte dintr-un milion (acuratețea pretinsă a soldului).

După ce s-a întors la Londra în 1798, Rumford a planificat să repete unele dintre succesele de bunăstare publică din München. El a dorit, de asemenea, să construiască bucătării și case de lucru pentru cei săraci, de asemenea, a planificat să găsească o instituție care să nu faciliteze doar implementarea de noi descoperiri științifice în îmbunătățirea nivelului de trai, dar și să instruiască oamenii din clasa muncitoare pentru a deveni mecanici. Aceasta a devenit Royal Institution. Din păcate, Rumford a fost dificil de lucrat și nu a văzut ochi cu ochi cu primul regizor, un tânăr corniș numit Humphry Davy. Acum, pentru a raporta, noțiunile idealiste ale lui Rumford pentru școlarizarea celor săraci și îmbunătățirea nivelului de trai. nu a devenit o prioritate pentru instituție, cu excepția unei serii de prelegeri pentru public care au evoluat în divertisment pentru cei bogați. Cu toate acestea, instituția a menținut un laborator de primă clasă în care Davy a descoperit elemente noi, inclusiv sodiu și potasiu, și a fost, de fapt, un centru excelent de cercetare științifică în ultimii două sute de ani. (Vezi aici!)

Este de menționat încă o întorsătură remarcabilă a evenimentelor din viața lui Rumford: Lavoisier, fondatorul teoriei calorice, a fost decapitat de revoluționarii francezi în 1794, lăsând o văduvă foarte atractivă. Rumford s-a căsătorit cu ea în 1805. Poate că nu prea surprinzător, căsătoria nu Nu merge bine.

În scrierea secțiunii de mai sus, am folosit în principal biografia Benjamin Thompson, contele Rumford, de Sanford C. Brown, MIT 1979. Am putut menționa doar un număr mic din gama extraordinară de invenții (și aventuri!) ale lui Rumford descrise în această carte.

O biografie mai recentă, dar mai ușor de citit: Contele Rumford: Viața extraordinară a unui geniu științific, de G. I. Brown, Sutton (Marea Britanie) 1999.