Теория калорийности
Теория теплорода — это устаревшая научная теория , согласно которой тепло состоит из самоотталкивающей жидкости, называемой теплородом , которая течет от более горячих тел к более холодным. Калорию также считали невесомым газом , который мог проникать в поры твердых тел и жидкостей и выходить из них. «Теория теплоты» была заменена в середине 19 века механической теорией тепла , но, тем не менее, сохранялась в некоторой научной литературе, особенно в более популярных методах лечения, до конца 19 века. [1]
Ранняя история [ править ]
В истории термодинамики первоначальные объяснения тепла были полностью перепутаны с объяснениями горения . После того, как в 17 веке И. Я. Бехер и Георг Эрнст Шталь представили флогистонную теорию горения, считалось, что флогистон представляет собой тепловую субстанцию.
Существует одна версия теории теплорода, предложенная Антуаном Лавуазье . До появления теории теплоты Лавуазье опубликованные ссылки, касающиеся тепла и его существования, помимо того, что оно является агентом химических реакций, были редкими и были предложены только Джозефом Блэком в «Журнале Розье» (1772) со ссылкой на температуру плавления льда. [2] В ответ Блэку частные рукописи Лавуазье показали, что он столкнулся с тем же явлением фиксированной температуры плавления льда, и упомянули, что он уже сформулировал объяснение, которое еще не опубликовал. [3] Лавуазье разработал объяснение горения с точки зрения кислорода в 1770-х годах. В своей статье «Размышления о флогистике» (1783 г.) Лавуазье утверждал, что теория флогистона несовместима с его экспериментальными результатами, и предложил «тонкую жидкость», называемую теплородом, как тепловую субстанцию . [4] Согласно этой теории, количество этого вещества постоянно во всей Вселенной. [ нужна ссылка ] и она течет от более теплых тел к более холодным. Действительно, Лавуазье был одним из первых, кто использовал калориметр для измерения тепла, выделяющегося во время химической реакции. Лавуазье выдвинул идею, что теплород — это тонкая жидкость, подчиняющаяся обычным законам материи, но разреженная до такой степени, что способна беспрепятственно проходить сквозь плотную материю; Собственная материальная природа калорий очевидна, когда они в изобилии, например, в случае взрыва. [2]
В 1780-х годах граф Румфорд полагал, что холод — это жидкость, «холодная» по результатам эксперимента Пикте . Пьер Прево утверждал, что холод — это просто недостаток калорий.
Поскольку тепло было материальной субстанцией в теории теплорода и, следовательно, не могло быть ни создано, ни уничтожено, сохранение тепла было центральным предположением. [5] Считалось, что теплопроводность возникла в результате сродства между теплородом и веществом, поэтому чем меньше калорий имело вещество, тем самым оно было более холодным, притягивало избыток калорий от близлежащих атомов до тех пор, пока не достигалось тепловое и температурное равновесие. [6]
Химики того времени верили в самоотталкивание тепловых частиц как в фундаментальную силу, тем самым делая большую текучую эластичность теплорода, которая не создает силы отталкивания, аномальным свойством, которое Лавуазье не мог объяснить своим хулителям. [7]
Лавуазье объяснил, что излучение тепла связано с состоянием поверхности физического тела, а не с материалом, из которого оно состоит. [6] [8] Лавуазье описал плохой радиатор как вещество с полированной или гладкой поверхностью, поскольку его молекулы лежат в плоскости, тесно связанной друг с другом, создавая поверхностный слой теплорода, который изолирует высвобождение остального внутри. [6] Он описал большой радиатор как вещество с шероховатой поверхностью, поскольку лишь небольшое количество молекул удерживает тепло в пределах данной плоскости, обеспечивая больший выход изнутри. [6] Граф Румфорд позже назвал это объяснение движения калорий недостаточным для объяснения того, что излучение холода стало предметом разногласий для теории в целом. [6]
На внедрение калорической теории повлияли эксперименты Джозефа Блэка, связанные с тепловыми свойствами материалов. Помимо теории теплоты, в конце восемнадцатого века существовала еще одна теория, которая могла объяснить явление тепла: кинетическая теория . В то время эти две теории считались эквивалентными, но кинетическая теория была более современной, поскольку она использовала несколько идей атомной теории и могла объяснить как горение, так и калориметрию. Неспособность теории теплорода объяснить испарение и сублимацию в дальнейшем привела к возникновению кинетической теории благодаря работам графа Румфорда. Граф Румфорд наблюдал склонность твердой ртути к плавлению в атмосферных условиях и поэтому предположил, что интенсивность тепла сама по себе должна быть обусловлена движением частиц, чтобы такое событие произошло там, где не ожидалось большого тепла. [3]
Успехи [ править ]
На основе одних только этих гипотез можно и было сделано довольно много успешных объяснений. Мы можем объяснить охлаждение чашки чая при комнатной температуре: калорийность самоотталкивается и, таким образом, медленно перетекает из областей с высокой калорийностью (горячая вода) в области с меньшей плотностью калорий (более прохладный воздух в комнате).
Мы можем объяснить расширение воздуха при нагревании: калории поглощаются воздухом, что увеличивает его объем . Если мы скажем немного больше о том, что происходит с калориями во время этого явления поглощения, мы сможем объяснить излучение тепла, изменения состояния вещества при различных температурах и вывести почти все газовые законы .
Сади Карно , рассуждавший исключительно на основе теории теплоты сгорания, разработал свой принцип цикла Карно , который до сих пор составляет основу теории тепловых двигателей . Анализ Карно потока энергии в паровых машинах (1824 г.) положил начало идеям, которые тридцать лет спустя привели к признанию второго закона термодинамики .
Считалось, что калория способна вступать в химические реакции в качестве заместителя, вызывая соответствующие изменения в материальных состояниях других веществ. [2] Лавуазье объяснил, что калорийность вещества и, соответственно, текучесть теплоты непосредственно определяют состояние вещества. [9] Таким образом, изменения состояния были центральным аспектом химического процесса и существенным для реакции, в которой заместители претерпевают изменения при температуре. [9] Изменения состояния практически игнорировались предыдущими химиками, сделав теорию теплорода отправной точкой для этого класса явлений как предмета научного интереса. [2]
Однако одним из величайших очевидных подтверждений теории теплорода стала Пьером-Симоном Лапласом теоретическая корректировка сэра Исаака Ньютона расчета скорости звука . Ньютон предполагал изотермический процесс , а калорист Лаплас считал его адиабатическим . [10] Это дополнение не только существенно скорректировало теоретическое предсказание скорости звука, но и продолжало делать еще более точные предсказания в течение почти столетия спустя, даже когда измерения стали более точными.
Дальнейшие события [ править ]
В 1798 году граф Румфорд опубликовал «Экспериментальное исследование источника тепла, возбуждаемого трением» , отчет о своем исследовании тепла, выделяемого при производстве пушек . Он обнаружил, что многократное сверление пушки не приводит к потере ее способности выделять тепло и, следовательно, к потере калорийности . Это предполагало, что калорийность не может быть сохраняющейся «веществом», хотя экспериментальные неопределенности в его эксперименте широко обсуждались.
В то время его результаты не рассматривались как «угроза» теории теплоты, поскольку эта теория считалась эквивалентной альтернативной кинетической теории . [11] Фактически, для некоторых из его современников эти результаты расширили понимание теории теплорода.
Эксперимент Рамфорда вдохновил Джеймса Прескотта Джоуля и других на работу в середине XIX века. В 1850 году Рудольф Клаузиус опубликовал статью, показывающую, что эти две теории действительно совместимы, поскольку принцип калорилистов сохранения тепла был заменен принципом сохранения энергии . Однако, хотя эти теории и совместимы, они существенно различаются по своим последствиям. В современной термодинамике тепло – это обычно передача кинетической энергии частиц (атомов, молекул) от более горячего вещества к более холодному.
В более позднем сочетании с законом сохранения энергии теория теплорода все еще обеспечивает ценную аналогию для некоторых аспектов тепла, например, появление уравнения Лапласа и уравнения Пуассона в проблемах пространственного распределения тепла и температуры. [ нужна ссылка ]
См. также [ править ]
Примечания [ править ]
- ↑ В издании 1880 года «Путеводителя по научным знаниям о знакомых вещах» , образовательно-научной книге XIX века, теплообмен объяснялся с точки зрения потока калорий.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Моррис, Роберт Дж. (1972). «Лавуазье и теория калорийности» . Британский журнал истории науки . 6 (1): 1–38. дои : 10.1017/S000708740001195X . ISSN 0007-0874 . JSTOR 4025261 . S2CID 45598864 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Герлак, Анри (15 апреля 2019 г.). Лавуазье-Решающий год: Предыстория и происхождение его первых экспериментов по горению в 1772 году . Издательство Корнельского университета. ISBN 978-1-5017-4664-2 . OCLC 1138503811 .
- ^ Николас В. Бест, «Размышления Лавуазье о флогистоне» II: О природе тепла , Основы химии , 2016, 18 , 3–13. В этой ранней работе Лавуазье называет это «магматической жидкостью». Термин «калорийность» не был придуман до 1787 года, когда Луи-Бернар Гитон де Морво использовал калорию в работе, которую он редактировал совместно с Лавуазье ( «Mémoire sur le développement des principes de la nomenclature méthodique» в книге Гитона де Морво, Л. -Б., Лавуазье А.-Л., Бертоле К.-Л., Фуркрой А.-Ф. (ред.) Méthode de nomenclature chimique , стр. 26–74. Слово «калорийность» впервые было использовано на английском языке в переводе эссе Гайтона Джеймсом Сент-Джоном («Мемуары для объяснения принципов методической номенклатуры» в «Методе химической номенклатуры » , Кирсли, Лондон (1788), стр. 19– 50, стр. 22).
- ^ См., например, Карно, Сади (1824). Размышления о движущей силе огня .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и Браун, Сэнборн К. (1967), «Теория калорийности» , Люди физики: Бенджамин Томпсон – граф Рамфорд , Elsevier, стр. 16–24, doi : 10.1016/b978-0-08-012179-6.50008-3 , ISBN 9780080121796 , получено 3 декабря 2021 г.
- ^ Мудро, Бальтазар Жорж. Химические воспоминания . OCLC 1013352513 .
- ^ Браун, Сэнборн К. (1967), «Теория калорийности» , Люди физики: Бенджамин Томпсон – граф Рамфорд , Elsevier, стр. 16–24, doi : 10.1016/b978-0-08-012179-6.50008-3 , ISBN 9780080121796 , получено 3 декабря 2021 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Халал, А; Хатиб, Д; Жаннот, Б. (1999). «Теоретическое исследование динамики батионной сети в квадратичной фазе» . Анналы химии: Материаловедение . 24 (7): 471–480. дои : 10.1016/s0151-9107(00)88439-1 . ISSN 0151-9107 .
- ^ Псиллос, Статис (1999). Научный реализм: как наука отслеживает истину . Рутледж. п. 115. ИСБН 978-0-203-97964-8 .
- ^ См., например, Лавуазье, А.-Л. из (1783 г.). Мемуар о течке, прочитанный в Королевской академии наук 28 июня 1783 г. М.М. Лавуазье и Ла Пляс .
Ссылки [ править ]
- Фокс, Р. (1971). Калорическая теория газов . Кларендон Пресс: Оксфорд.
- Чанг, HS (2003). «Консервативный реализм и его недовольство: возвращение к калорийности» (PDF) . Философия науки . 70 (5): 902–912. дои : 10.1086/377376 . S2CID 40143106 .
- Мендоса, Э. (февраль 1961 г.). «Очерк истории ранней термодинамики». Физика сегодня . 14 (2): 32–42. Бибкод : 1961ФТ....14б..32М . дои : 10.1063/1.3057388 .