Predarea căldurii
Michael Fowler, Universitatea din Virginia
Din experiența mea, sunt multe de câștigat din predarea fizicii cu o anumită perspectivă istorică. Din păcate, tendința în manualele de fizică din zilele noastre este în direcția opusă. Acum 30 de ani, majoritatea textelor standard includeau o discuție despre cum și când s-au dezvoltat conceptele de bază în fizică. Edițiile recente ale acestor cărți, mult mai grele și mai colorate, au renunțat la acest material în favoarea instrucțiunilor nesfârșite detaliate despre cum să rezolve problemele manuale. Acesta poate fi, parțial, un răspuns necesar pentru studenții mai puțin bine pregătiți și, eventual, pentru profesori, dar noile texte, în ciuda lucrărilor de artă cu patru culori pe hârtie lucioasă, sunt destul de triste. Soluția mea este pur și simplu să folosesc textul ca sursă de probleme și să citesc copiile de rezervă, să folosesc o cantitate echitabilă de materiale istorice (și demonstrații) în clasă și să postez notele mele de curs pe web. Temele pentru acasă includ calcule bazate pe experimente istorice (de exemplu: Estimați echivalentul mecanic al căldurii folosind datele plictisitoare de tun ale lui Rumford și estimarea lui Watt de o putere de cai.)> Majoritatea elevilor se bucură de această abordare.
În continuare vom discuta despre ideile lui Joseph Black și despre experimentele minuțioase asupra căldurii, despre cum curge întotdeauna de la lucruri calde la reci și se uniformizează într-o cameră fără sursă de căldură după un timp. (Ar trebui să menționez că evoluția termometrelor până la Fahrenheit a fost acoperită imediat înainte de această revizuire a teoriei calorice.) În acest moment, cantitativ Conceptul de capacitate termică este introdus (abaterea doar ușor de la corectitudinea istorică utilizând Celsius și grame de la început). Efectuăm unul dintre experimentele lui Black în curs, folosind un calorimetru pentru a găsi căldura specifică a unei bucăți de metal. Elevii au fost rugați să discute și să o prezică mai întâi. Aproape toți se așteaptă căldura specifică a cuprului să fie mai mare decât cea pentru apă, astfel încât rezultatul opus le atrage atenția. Acest lucru duce în mod natural la o prezentare a unei game mai largi de rezultate și la descoperirea misterioasă a lui Dulong și Petit că capacitatea de căldură pe atom pare a fi o constantă, indiferent de greutatea atomilor.
Odată ce începem să ne gândim la atomi, devine clar că trebuie construit un fel de imagine microscopică a fluxului de fluid caloric. OK, nu era clar pentru toată lumea la acea vreme - chiar și aproape un secol mai târziu, unii oameni de știință germani eminenți, precum Ostwald și Mach, se certau împotriva modelelor atomice. Ei au considerat că activitatea științei a fost descoperirea legilor referitoare la cantități observabile, cum ar fi presiunea, volumul și temperatura unui gaz, iar încercările de a interpreta aceste legi în termeni de entități neobservabile, cum ar fi atomii, au fost fantezii neverificabile. Timpul a arătat cât de greșite au fost. Acum, doar teoreticienii șirurilor trebuie să suporte acest tip de critică! Oricum, revenim la subiect: studenții noștri sunt de acord cu siguranță că este nevoie de o teorie microscopică, deci cum putem începe să construim una?
Știm că căldura extinde un gaz (la clasă, am discutat recent despre termometrul lui Galileo). Cum explică teoria calorică asta? Newton și-a imaginat atomii într-un gaz mai degrabă ca portocalele moi într-o ladă, ocupând cea mai mare parte a camerei disponibile și acoperit cu acest fluid caloric, astfel încât la turnarea mai multor calorici atomii s-au umflat în dimensiune. Atomii dintr-un solid sau lichid aveau mult mai puține calorii, de aceea a fost nevoie de atât de multă căldură (pompare în caloric) pentru a fierbe apa. Sună rezonabil. Dar teoria calorică a făcut mult mai mult: întreaga teorie a fluxului de căldură în solide, inclusiv probleme importante cum ar fi răcirea pământului în timp geologic, au fost analizate cantitativ folosind tehnici matematice sofisticate dezvoltate în Franța (de Fourier și alții) aplicate caloricului teorie și toate aceste metode și rezultate sunt încă bune. Mai mult, așa cum vom vedea în scurt timp, Carnot a dezvoltat o teorie a motorului cu aburi bazată pe teoria calorică, care a fost în mare parte corectă și a arătat o nouă lumină asupra unora dintre cele mai presante probleme tehnologice ale epocii.
Dar lucrarea lui Rumford, publicată în 1798, nu a ucis teoria calorică. La urma urmei, teoria calorică explicase multe. Criticii lui Rumford au sugerat că poate cumva fragmentele de metal ras au pierdut tot caloric. Încercase să verifice acest lucru, dar metoda lui nu era complet convingătoare.