Физика для любознательных. Том 2. Наука о Земле и Вселенной. Молекулы и энергия

Глава 27. Измерение количества тепла и температуры

С точки зрения поэта:

«О, ты, огонь, благословенный Богом,Хвалу Ему воздай и славу на века».

С точки зрения ученого:

«…если вы можете измерить и выразить в числах то, о чем говорите, — вы знаете это; но если вы не можете измерить, если не можете выразить числами, — ваши знания скудны и недостаточны. Они могут быть началом науки, но едва ли одной лишь силой вашей мысли превратятся в ее фундамент».

Лорд Кельвин, «Популярные лекции и речи», 1891 г.

Эта глава предназначена для самостоятельного изучения без помощи преподавателя. Как и ученому, вам следует знать, как измеряется теплота и температура. Если же вас интересует смысл науки, то вы убедитесь, что простые измерения порождают глубокие вопросы.

Мы опускаем здесь технические детали калориметрии и не приводим обычных лабораторных упражнений, чтобы уделить больше времени более существенным вопросам.

В первой части настоящей главы описаны примитивные опыты по измерению количества тепла, которые вам следует самим проделать в лаборатории. Вторая часть посвящена температуре от простых описаний и до обсуждения глубокого смысла этого понятия. Познакомьтесь с ним, насколько у вас хватит духу.

I. ТЕПЛОТА

Теплота и температура

Поставьте на огонь кастрюльку с водой и понаблюдайте за ее температурой. Пламя отдает тепло кастрюльке и ее содержимому и повышает их температуру. Кастрюлю больших размеров с бóльшим количеством воды нужно греть дольше и сжечь больше топлива, чтобы добиться такого же повышения температуры. Мы говорим большее количество тепла. В обыденном разговоре слово «тепло» звучит как синоним температуры, но в науке эти слова означают совершенно разные вещи

[178]. Теплом мы называем ту «субстанцию», которая делает предметы горячее. Температура же только показывает, насколько горяч предмет или каков его «уровень теплоты».

Описание температуры и количества тепла

Температура — это «степень нагретости» по определенной шкале. Градуировку термометра мы производим, исходя из нашего представления о тепле и холоде. Чтобы один термометр согласовался с другим, мы приписываем двум стандартным уровням «нагретости» — таящему льду и бурлящему кипятку — два числа: 0 и 100, и делим промежуток на сто равных долей[179]. О смысле измерения температуры мы будем говорить позднее, а сейчас рассмотрим термометры, как нечто само собой разумеющееся, наподобие секундомера. Они говорят нам о степени нагретости данного предмета. Эту степень нагретости они характеризуют по определенной шкале, и их показания мы называем «температурой».

Теплота — это то, что делает предметы горячее, расплавляет твердые вещества или испаряет жидкости

. Когда мы нагреваем железный стержень или сосуд с водой на пламени или на электроплитке, то можем представить себе, что в предметы «вливается» некоторое количество тепла в виде невидимой и невесомой субстанции, которая делает их горячее. Чем больше количество железа или воды, тем больше требуется теплоты. Эта теплота возникает из горящего топлива, и чтобы нагреть 2 л воды до желаемой температуры, его требуется вдвое больше, чем для 1 л, а 5 л требуют в 5 раз больше топлива, чем 1 л. Дополнительное повышение температуры также требует затрат большего количества топлива.

Мы считаем, что если такое-то количество тепла нагревает предмет от 10 до 20°, то это же количество тепла нагреет его и от 20 до 30°.

В большинстве случаев эксперименты подтверждают это. Если «массу» таинственной тепловой субстанции измерить по количеству топлива, то если

ТЕПЛОТА ~ РАСХОД ТОПЛИВА,

имеем

ТЕПЛОТА ~ МАССА НАГРЕВАЕМОГО МАТЕРИАЛА,

ТЕПЛОТА ~ ПОВЫШЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ МАТЕРИАЛА.