Ce este căldura
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 .
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