Що таке тепло
Майкл Фаулер
Це лекція без рівнянь, в якій викладається паралельний розвиток технологій та розуміння природи тепла та того, як вони переплелись.
Коли тече тепло, чи насправді тече щось матеріальне?
До кінця 1700-х років експерименти Фаренгейта, Блека та інших створили систематичний кількісний спосіб вимірювання температур, теплових потоків та теплової потужності - але це насправді не пролило нового світла лише на що Це був час, коли вивчення електроенергії було в моді, під керівництвом Америки Бенджамін Франклін, який в 1747 р. припустив, що електрика є однією (невидимою) рідиною (раніше було припущення, що є дві рідини, відповідно до двох видів електричного заряджання, що спостерігаються)
Теорія калорійної рідини Лавуазьє
Можливо, тепло було іншою з цих невидимих рідин? В 1787 р. Лавуазьє, французький засновник сучасної хімії, вважав це і назвав це калорійність рідини, від грецького слова "тепло". (Лавуазьє першим спробував скласти таблицю елементів, на заміну давнім стихіям землі, повітря, води та вогню. У його перелік з тридцяти трьох елементів входили водень, кисень, сірка, вугілля тощо, але він також включена калорійність- і світло.)
Лавуазьє та дружина, Девід, з Вікісховища .
Різні інші ефекти можна пояснити калорійною теорією: коли газ раптово стискається, він стає більш гарячим, тому що однакова кількість калорій займає зараз менший обсяг. В Коли дві тверді речовини стираються, частина калорій витискається на поверхні, або, можливо, крихітні шматочки матеріалу стираються і втрачають свою калорійність, тому з’являється тепло. Вважалося, що променевим теплом є калорійні частинки, що летять у космосі. Нагадаємо, що на той час (трохи перед 1800 р.) Це було загальновизнаним світло являв собою потік частинок.
Промислова революція та водяне колесо
У 1769 році ланкаширський перукар, Річард Аркрайт, запатентував успішну бавовняну прядильну машину. Ланкашир довгий час був центром текстильної торгівлі, але до Аркрайта тканини ткали на ручних ткацьких верстатах кваліфікованими ткачами. Новими машинами могли керувати менш кваліфіковані робітники, і насправді ними керували в основному діти, хоча на відміну від деяких своїх конкурентів, Аркрайт відмовився наймати будь-яку дитину молодше шести років. В рушійною силою машин спочатку були коні, але в 1771 році Аркрайт побудував велику фабрику, в якій було багато машин, усі яких приводили в дію водяне колесо. Це було початком сучасної системи масового виробництва. В ціни впали, а досвідчені ручні ткачі збідніли.
Однак наш інтерес у цьому полягає не в соціальних наслідках, а лише в водяному колесі. Раніше водяні колеса століттями використовувались для подрібнення борошна та для інших цілей, але їх ефективність не була основною проблемою. Однак на заводі, чим ефективніше колесо, тим більше дітей могло крутити бавовна і тим більший прибуток. Двадцять років тому Джон Смітон (перший англієць, який назвав себе інженером-будівельником) досліджував різні типи води колеса, і виявив, що тип перевищення (при якому вода ллється до верху колеса) працює найкращим чином.
Картина Джозефа Райта, Wikimedia Commons.
Вимірювання сили за допомогою підйому
Вихідну потужність водяного колеса можна виміряти, використовуючи його для підняття навантаження - в ті часи, це могло б бути скільки фунтів можна підняти через одну ногу в секунду, скажімо (зараз ми б просто використовували вати, і забавно зауважити, що перша одиниця потужності, кінська сила, була запропонована в 1783 році Джеймсом Ваттом на 33000 фунтів фунтів на хвилину). оборотний водяне колесо, яке можна було запустити назад, щоб знову підняти воду назад. Це найкраще візуалізувати, якщо встановити колесо із низкою приєднаних ківшів. Припустимо, що колесо працює деякий час, і його вихідна потужність використовується для підняття ваги на певну відстань. Зараз поверніть його назад, нехай вага впаде, запускаючи колесо назад, переконуючись, що відра тепер наповнюються знизу і спорожнюються зверху. В скільки води піднімається назад? В Істинно реверсивне колесо поверне всю воду назад. Ми знаємо, що цього не станеться, але якщо реверсивне колесо вдасться підняти наполовину скажімо, вода назад, тоді вона на 50% ефективна
Будуючи першу фабрику, водяне колесо не просто розміщували під водоспадом. Вода до неї направлялася для максимальної ефективності. Смітон встановив, що потік води у відра повинен бути максимально плавно."Турбулентність даремно витратила зусилля" - це не допомогло колесу кружляти. Вода повинна стікати на колесо, а не падати з якоїсь висоти. В І нарешті, ідеальне колесо (не зовсім реалізоване на практиці) було б реверсивним - його можна було б запускати назад, щоб повернути воду назад, використовуючи ту ж кількість роботи, яку вона доставила в першу чергу.В
Калорійне водяне колесо Карно
Фабрика Аркрайта була настільки успішною, що протягом декількох років подібні фабрики були побудовані скрізь, де в Північній Англії можна було економно експлуатувати водяне колесо. Наступним кроком було використання парової енергії, яка була розроблена в попередньому столітті для підйому води В міру вдосконалення конструкції парових двигунів англійська економіка зростала далеко попереду європейських конкурентів ”, але, на відміну від сучасності, ці технологічні досягнення практично нічим не завдячували фундаментальній науці.
Перша спроба проаналізувати парову машину науковим шляхом була французом Саді Карно в 1820 році ”, і він значною мірою поклався на аналогію з водяним колесом. В паровій машині тепло подається до води, щоб википати пар який спрямований через трубу до циліндра, де він штовхає поршень. В Поршень справді працює, як правило, обертаючи колесо, пара охолоджується, а відносно холодна пара викидається, так що поршень буде готовий до наступного доза пари
Де аналогія з водяним колесом? В. Згадаймо, що тепло сприймалося як невидима рідина, змушена своєю природою витікати з гарячий об'єкти до холодний Вода завжди тече з високий місця для низький місць. Карно розглядав їх як паралельні процеси - і, як водяне колесо витягує корисну роботу із падаючої води, він бачив, як паровий двигун витягував роботу з "падаючої" калорійної рідини, коли вона каскадувала з гарячого предмета на холодний.
Наскільки ефективні ці машини?
Як ми вже обговорювали, звичайне водне колесо найефективніше, якщо вода вливається і виходить дуже плавно, тому енергія не витрачається на турбулентність або розбризкування. В Якби ми могли виготовити таке колесо з підшипниками без тертя і т. Д., тоді його можна було б змусити вести подвійне колесо, що рухається назад, що могло б знову підняти всю воду назад. This Це ідеалізоване колесо було б на 100% ефективним.
Ідеалізований тепловий двигун Карно мав газ у балоні, який штовхав поршень, коли він розширювався, виконуючи роботу. У газ подавалось тепло, воно розширювалось, потім подача тепла була припинена, але гарячий газ продовжував одночасно розширюватися і охолоджуватися. Потім поршень змінив напрямок, і тепла, що утворюється при стисненні, дозволяли стікати в радіатор, поки не досягнуто певної точки, в якій раковина була відключена, і подальше стиснення нагріло газ до початкової температури, при в який момент цикл розпочався знову. "Ми будемо обговорювати цей так званий" цикл Карно "пізніше, все, що нам потрібно забрати від нього в цей момент, це те, що тепло подається до газу при високій температурі, і він витікає до раковини при нижчій температурі.В