О. Деревенский - Догонялки с теплотой

О.Х.Деревенский

Догонялки с теплотой

«Сегодня правильные представления о теплоте дети усваивают уже в седьмом классе».

… Палимая Солнцем казахстанская степь. Учёные из небольшой экспедиционной группы, вытирая пот, наблюдают за сайгаками. Эти учёные проводят ответственное научное исследование. Они хотят на опыте подтвердить слова академика Тимирязева: «Все проявления энергии в организме должны быть прослежены до какого-нибудь известного её физического или химического источника… Мышечная работа, животная теплота происходят за счёт потенциальной энергии, заключённой в органическом веществе, принятом в пищу». Методика у наших учёных – проще некуда. Они отслеживают, сколько травы поедают животные в естественных условиях. Калорийность этого корма – т.е. количество теплоты, которая выделяется при сжигании его в калориметре – учёным уже известна. Остаётся лишь сопоставить количество этой «потенциальной энергии», заключённой в пище сайгака, с работой, которую производят его мышцы по ходу жизни.

Но… чем дольше учёные наблюдали, тем тоскливее им становилось. Понимаете, эти сайгаки были какие-то неправильные. Маловато они жрали – количество калорий их пайка оказывалось в разы меньше, чем энергозатраты их мышц. Жировые запасы здесь были не при чём – какие вам жировые запасы летом? Самое обидное, что сайгаки опрокидывали все «научно обоснованные нормы»: калорийности их пищи явно не хватало на жизнь, а они выглядели вполне жизнерадостно… Вот очаровательная сайгачка, подмигнув учёным, изящно задрала хвостик и выдала очередную порцию какашек. «Видали, что вытворяет? – не выдержал один наблюдатель. – Издевается над нами, жвачная тварь!» - «Успокойтесь, коллега! – отозвался второй. – Наоборот, она нам подсказывает: мы не довели эксперимент до конца! Вот это… сено, пропущенное через корову – оно, высушенное, тоже горит! Местные жители используют его как топливо!» - «Вы хотите сказать, коллега, что у этого… этого самого… тоже есть калорийность?» - «Именно! И мы её измерим!»

Сказано – сделано. Невесело пришлось калориметру, когда в нём жгли какашки – но уж ради науки пришлось потерпеть. Впрочем, ещё невеселее пришлось исследователям, когда они убедились в том, что калорийность какашек такая же, как и калорийность исходного корма. Выходило, что на уровне тимирязевской «потенциальной энергии, заключённой в органическом веществе», животное не только потребляет гораздо меньше, чем требуется для работы его мышц, но и выделяет столько же, сколько потребляет. Т.е., на работу мышц не остаётся совсем ничего. Наши учёные отлично понимали, что такие любопытные выводы – не для их отчётов. Поэтому они посыпали себе волосы пеплом – тех самых сожжённых какашек – этим дело и закончилось.

И до сих пор ситуация в вопросе о «калорийности пищи» - это висяк какой-то. Если вы спросите диетологов о том, сколько калорий в день следует потреблять с пищей, чтобы «гарантированно похудеть за две недели», то они вам всё подробно разъяснят – причём, недорого возьмут и глазом не моргнут. Работа у них такая… Но спрашиваем академиков: откуда берутся калории, на которых сайгаки ходят, жуют, хвостики задирают? А академики очень не любят этот вопрос. Уж больно он для них неудобный. Максимум, чего от них добьёшься – это апелляции к тому, что живые организмы, мол, это сложнейшие высокоорганизованные системы, а потому они, мол, ещё недостаточно изучены. Так вы, дяденьки, в рамках изучения живых организмов, что ли, помалкиваете о результатах калориметрических измерений, подобных вышеописанным? Или вы боитесь, что краснеть придётся, когда над вами будут смеяться дети? Хорошо, вот для вас испытанное народное средство: свёклой морды себе натрите – если покраснеете, не так заметно будет.

Как академики дошли до жизни такой? Ладно, пусть одушевлённые организмы – это для них слишком сложно. Но в неодушевлённом-то веществе, которое подвержено действию только физических и химических законов – тут-то вопросы с калориями должны быть совершенно прозрачны? Речь ведь идёт не о тех явлениях, которые обнаруживаются на ускорителях и коллайдерах. Речь идёт о явлениях, которые любой желающий может воспроизвести у себя на кухне. Казалось бы, колоссальный практический опыт должен был отлиться в совершенно ясные представления о теплоте. Но мы расскажем, во что этот опыт отлился на самом деле.

Ещё античные философы в вопросе о природе теплоты делились на два лагеря. Одни полагали, что теплота – это самостоятельная субстанция; чем её больше в теле, тем оно теплее. Другие полагали, что теплота – это проявление некоторого свойства, присущего веществу: при том или ином состоянии вещества тело холоднее или теплее. В средние века доминировала первая из этих концепций, что легко объяснимо. Представления о строении вещества на атомарном и молекулярном уровнях были тогда совершенно неразвиты – и поэтому было загадкой то свойство вещества, которое могло бы отвечать за теплоту. Философы, в подавляющем большинстве своём, не заморачивались в попытках отыскать это загадочное свойство – а, ведомые стадным инстинктом, придерживались удобной концепции о теплоте, как о «теплотворной материи».

Ох, как же цепко они её придерживались – до судорог в хватательных мышцах. Вникайте: теплотворная материя, как бы, передаётся от горячих тел к холодным при их контакте. Чем больше теплотворной материи в теле, тем выше температура тела. А что такое температура? А это как раз мера содержания теплотворной материи. Если теплотворная материя передаётся справа налево, то справа температура выше. И наоборот. Если же теплотворная материя не передаётся ни направо, ни налево, то температуры справа и слева одинаковые. Пусть понятия «теплотворная материя» и «температура» получались связаны логическим порочным кругом, зато в остальном всё было изумительно. Можно было даже делать практические выводы: чтобы нагреть тело, нужно добавить в него теплотворной материи – по сравнению с тем, которая у него уже имеется. А для такого добавления требуется более нагретое тело, иначе теплотворная материя не передастся. Блеск! На основе этих представлений делались работающие тепловые машины! Был даже сформулирован принцип неуничтожимости теплотворной материи, т.е., фактически, закон сохранения теплоты!

Конечно, сегодня нам легко рассуждать о наивности этих средневековых закидонов. Сегодня-то мы знаем, что теплота – это одна из форм энергии, а закон сохранения энергии не работает для какой-то одной из её форм. Этот закон работает для энергии в целом – с учётом того, что одни формы энергии могут превращаться в другие. Но в ту эпоху, когда неотъемлемой частью Мироздания считалась теплотворная материя, принцип её неуничтожимости, из-за претензий на Вселенский размах, приводил философов в благоговейный трепет. Для экспериментального подтверждения этого принципа – правда, не во вселенских, а в локальных масштабах – изобрели и ввели в обиход эти коробчонки с двойным дном, называемые калориметрами.

Поразительно: по ходу научно-технического прогресса, от механических секундомеров перешли сначала к кварцевым, а затем и к атомным часам, от землемерных лент перешли к лазерным дальномерам, а затем и к GPS-приёмникам – и только калориметры оказались совершенно незаменимыми в деле прямого определения тепловых эффектов. До сих пор калориметры служат своим пользователям верой и правдой: пользователи в них верят и думают, что с их помощью знают правду. А в средние века на них молились, берегли их от сглаза, и даже окуривали ладаном – что, впрочем, мало помогало. Вот, смотрите: исследуемый процесс протекал в стаканчике с теплопроводящими стенками, который находился внутри большого стакана, заполненного буферным веществом. Если при исследуемом процессе теплотворная материя выделялась или поглощалась, то температура буферного вещества, соответственно, повышалась или понижалась. Измеряемой величиной в обоих случаях являлась разность температур буферного вещества до и после исследуемого процесса – эта разность определялась с помощью термометра. Вуаля! Правда, быстро обнаружилось небольшое затруднение. Повторяли измерения при одном и том же исследуемом процессе, но с разными буферными веществами. И оказалось, что одинаковые веса разных буферных веществ, приобретая одно и то же количество теплотворной материи, нагреваются на разные количества градусов. Недолго думая, тепловых дел мастера ввели в науку ещё одну характеристику веществ – теплоёмкость. Это совсем просто: теплоёмкость больше у того вещества, которое вмещает больше теплотворной материи для того, чтобы, при прочих равных условиях, нагреться на одинаковое количество градусов. Стойте, стойте! Тогда, чтобы определить тепловой эффект калориметрическим способом, требуется заранее знать теплоёмкость буферного вещества! А откуда это знать? Тепловых дел мастера, не напрягаясь, дали ответ и на этот вопрос. Они быстро смекнули, что их коробчонки являются приборами двойного назначения, которые пригодны для измерения не только тепловых эффектов, но и теплоёмкостей тоже. Ведь если вы измеряете разность температур буферного вещества и знаете количество поглощённой им теплотворной материи, то искомая теплоёмкость – у вас на блюдечке! Так и повелось: тепловые эффекты измеряли на основе знания теплоёмкостей, а теплоёмкости узнавали на основе измерений тепловых эффектов. И если кто-то, не по злому умыслу, а чисто из любознательности, спрашивал: «А что вы измерили сначала – теплоту или теплоёмкость?» - то ему отвечали в таком духе: «Слушай, умник, а что было сначала – курица или яйцо?» - и умник понимал, что не надо задавать дурацкие вопросы.