Викладання тепла
Майкл Фаулер, Університет Вірджинії
З мого досвіду, викладання фізики з певною історичною перспективою може багато чого отримати. На жаль, нині тенденція розвитку підручників з фізики йде у зворотному напрямку. Тридцять років тому більшість стандартних текстів включали деякі обговорення того, як і коли розвивалися основні поняття у фізиці. Останні видання цих самих книг, набагато важчих та барвистіших, відмовились від цього матеріалу на користь нескінченних детальних інструкцій щодо вирішення проблем підручників. Це може бути, частково, необхідною відповіддю для менш підготовлених учнів та, можливо, викладачів, але нові тексти, незважаючи на чотири кольорові ілюстрації на блискучому папері, досить похмурі. Моє рішення - просто використовувати текст як джерело проблем і для резервного читання, використовувати чималу кількість історичного матеріалу (та демонстрації) на уроці та розміщувати примітки до мого класу в Інтернеті. Домашні завдання включають розрахунки, що базуються на історичних експериментах (наприклад: Оцініть механічний еквівалент тепла, використовуючи дані Рамфорда, що дають гармати, та оцінку Ватта на одну кінську силу.).
Далі ми обговоримо ідеї Джозефа Блека та ретельні експерименти з теплом, як воно завжди перетікає від гарячих до холодних речей, і через деякий час вирівнюється в кімнаті без джерела тепла. (Слід зазначити, що розвиток термометрів до Фаренгейта було висвітлено безпосередньо перед цим оглядом калорійної теорії.) На цьому етапі кількісний концепція теплоємність є введенням (лише трохи відхиляючись від історичної правильності, використовуючи Цельсій та грами з самого початку). На лекції ми виконуємо один із експериментів Блека, використовуючи калориметр, щоб знайти питому теплоємність шматка металу. Студентів пропонують обговорити та передбачити це спочатку. Майже всі вони очікують, що питома теплота міді буде більшою, ніж теплота води, тому їх увагу привертає протилежний результат. Це, природно, призводить до представлення більш широкого спектру результатів та загадкової знахідки Дюлонга та Петі про те, що теплоємність на атом здається постійною, незалежно від ваги атомів.
Як тільки ми починаємо думати про атоми, стає зрозумілим, що має бути побудована якась мікроскопічна картина потоку калорійної рідини. Добре, тоді це було не всім зрозуміло - навіть майже через століття деякі видатні німецькі вчені, такі як Оствальд та Мах, сперечалися проти атомних моделей. Вони вважали, що науковою справою було відкриття законів, що стосуються спостережуваних величин, таких як тиск, об'єм і температура газу, а спроби інтерпретувати ці закони з точки зору таких неспостережуваних сутностей, як атоми, були неперевіреною фантазією. Час показав, наскільки вони помилялися. Тепер лише теоретики струн мають витримувати таку критику! У будь-якому випадку, повернемось до теми: наші студенти безумовно погоджуються, що потрібна якась мікроскопічна теорія, тож як ми почнемо будувати одну?
Ми знаємо, що тепло розширює газ (у класі ми нещодавно обговорювали термометр Галілея). Як теорія калорій пояснює це? Ньютон уявляв собі атоми в газі, схожі на м’які апельсини в ящику, які займають більшу частину доступної кімнати і покриваються цією калорійною рідиною, так що, вливаючи більше калорій, атоми збільшуються в розмірах. Атоми в твердому або рідкому середовищі мали набагато менше калорійності, тому для кипіння води потрібно було стільки тепла (накачування калорій). Це звучить розумно. Але теорія калорій зробила набагато більше: вся теорія теплового потоку у твердих речовинах, включаючи такі важливі проблеми, як охолодження землі протягом геологічного часу, була проаналізована кількісно за допомогою складних математичних методів, розроблених у Франції (Фур'є та ін.), Застосованих до калорійності теорії, і ці методи та результати все ще добрі. Крім того, як ми побачимо незабаром, Карно розробив теорію парової машини, засновану на калорійній теорії, яка в основному була правильною і пролила нове світло на деякі найактуальніші технологічні проблеми епохи.
Але робота Рамфорда, опублікована в 1798 році, не вбила калорійну теорію. Зрештою, теорія калорій багато чого пояснила. Критики Румфорда припустили, що, можливо, обрізані осколки металу втратили всю калорійність. Він намагався перевірити це, але його метод не був повністю переконливим.