Ciepło
W
języku potocznym ciepło jest pojęciem wieloznacznym.
W fizyce przez ciepło rozumie się formę przekazywania
energii (bez udziału pracy i promieniowania).
Miarą tak przekazywanej energii jest ilość ciepła.
Przez
długie wieki człowiek nie odczuwał potrzeby
ilościowego ujęcia wrażeń ciepła i zimna. Potrzebę
tę zrodziły dopiero próby naukowego potraktowania
zjawisk cieplnych. Trudności powstały już przy
budowie termometrów, tzn. przyrządów do ilościowego
wyznaczania temperatury. Pokonał je na początku
XVIII w. gdańszczanin z pochodzenia, D.G. Fahrenheit.
Sukces ten uważa się za początek nauki o cieple.
W początkowym okresie jej rozwoju uważano, że
miarą ilości ciepła, jakie ciała sobie przekazują,
jest po prostu zmiana ich temperatury. Znaleziono
nawet wzory, które pozwalały określić np. temperaturę
mieszaniny powstałej w wyniku dolania wody
o niskiej temperaturze
do wody o wyższej temperaturze kalorymetr).
Wzory tego rodzaju nie stosowały się jednak
do mieszaniny wody z lodem; temperatura mieszaniny
po stopieniu lodu była dużo niższa, niż to wynikało
ze wzorów. Podobne odstępstwa obserwowano w
przypadku wody, do której wrzucano kawałki ciał
stałych (np. kulki metalowe).
Szczególnie
dokładne i systematyczne badania takich odstępstw
prowadził w latach sześćdziesiątych XVIII w.
J. Black. Doszedł on do wniosku, że ilość ciepła
i temperatura to dwa jakościowo różne pojęcia,
których nie można uważać za równoważne (podobną
myśl wygłosił w 1755 J.H. Lambert). Black zauważył,
że ciepło dostarczone topniejącemu lodowi nie
przejawia się we wzroście jego temperatury.
Tak odkrył ciepło topnienia i w podobny sposób
— ciepło parowania wody. Pomiary Blacka
wskazywały ponadto, że ogrzewanie różnych ciał
w tych samych warunkach powoduje różny przyrost
ich temperatury; na tej podstawie wprowadził
on pojęcie ciepła właściwego. (Pojęcie ciepła
topnienia i ciepła właściwego wprowadził niezależnie
od Blacka J.C.Wilcke). Black wprowadził
także pierwszą jednostkę miary ilości
ciepła kalorię. Prace Blacka dały początek
drugiemu, po termometrii, działowi nauki o cieple
kalorymetrii.
Wynalazki
termometru i kalorymetru oraz wprowadzenie odpowiednich
pojęć umożliwiły podjęcie ilościowych badań
nad zjawiskami cieplnymi. W związku z tym coraz
natarczywiej domagano się odpowiedzi pytanie:
jaka jest fizyczna natura ciepła ? W XVIII w.
panował powszechnie pogląd, że ciepło to specjalna
nieważka i niezniszczalna substancja, zwana
cieplikiem — koncepcja ta wywodzi się
jeszcze od Arystotelesa (IV w. p.n.e.). Wybitny
chemik A.L. Lavoisier zaliczał cieplik do pierwiastków
chemicznych. Przekazywanie energii w formie
ciepła tłumaczono jako przepływ cieplika od
ciała gorącego do ciała chłodnego. Teoria cieplika
miała jednak licznych przeciwników (w starożytności
Demokryt i atomiści, w XVII i XVIII w. m.in.
F. Bacon, Ch. Huygens, I. Newton, D. Bernoulli,
M.W. Łomonosow). Pierwsze doświadczenie z dziedziny
ciepła przeprowadzili przeciwnicy koncepcji
cieplika, jednakże dopiero pod koniec XVIII
w. W 1798 Rumford B. Thompson zbadał ilościowo
efekty nagrzewania się lufy armatniej wskutek
wiercenia w niej otworu; w roku następnym H.
Davy stopił kawałek lodu, trąc nim o drugi kawałek
lodu. Doświadczenia te wskazywały, że zjawiska
cieplne mogą zachodzić nie tylko w wyniku ogrzewania
ciała, ale także w wyniku wykonywania nad nim
pracy. Stanowiły więc z jednej strony doświadczalny
dowód przeciwko teorii cieplika, z drugiej zaś
przemawiały za wcześniejszym przypuszczeniem
zwolenników koncepcji atomistycznej budowy materii,
że ciepło musi się w jakiś sposób wiązać z ruchem,
a zatem musi istnieć jakaś współzależność między
ilością ciepła a pracą.
Po
raz pierwszy hipotezę, że ciepło i praca to
jak byśmy dziś powiedzieli w pełni równoprawne
formy przekazywania energii (tzw. równoważność
pracy i ciepła), wygłosił w 1841 J.R. Mayer,
podając przybliżoną wartość mechanicznego równoważnika
ciepła, tzn. ilości pracy, jaką trzeba wykonać
nad układem, aby uzyskać taki sam efekt cieplny
jak w wyniku dostarczenia układowi jednostkowej
ilości ciepła. Ostateczne rozstrzygnięcie tego
zagadnienia przyniosły nieco później doświadczenia
J. P. Jou1e'a. Idea tych doświadczeń była bardzo
prosta. Opuszczające się ciężarki wprawiały
mieszadło w ruch obrotowy. Wskutek tarcia praca
tych ciężarków ulegała zamianie na ciepło, co
przejawiało się we wzroście temperatury cieczy
w kalorymetrze. W ten sposób Joule zmierzył
mechaniczny równoważnik ciepła; nie znał on
prawdopodobnie prac Mayera dotyczących tego
zagadnienia, gdyż z wyjątkiem jednej niewielkiej
rozprawy były one opublikowane kilka lat
później. Wykazanie równoważności ciepła i pracy
miało podstawowe znaczenie dla dalszego rozwoju
nauki o cieple oraz badań nad atomistyczną budową
materii, która w efekcie przyniosła rozstrzygnięcie
zagadnienia natury ciepła.
Zgodnie
ze współczesnymi poglądami, każde ciało składa
się z atomów, jonów i elektronów lub cząsteczek,
które znajdują się w nieustannym i chaotycznym
ruchu, zwanym ruchem cieplnym (termicznym).
Miarą intensywności tego ruchu jest średnia
energia kinetyczna atomów, do której jest proporcjonalna
temperatura bezwzględna danego ciała. Ilość
ciepła przekazywana przez jedno ciało drugiemu
ma więc sens energii kinetycznej ruchu cieplnego
przekazywanej przez atomy jednego ciała —
atomom drugiego ciała; ogrzewanie ciała oznacza
zatem zwiększanie, ochładzanie natomiast oznacza
zmniejszanie intensywności ruchu cieplnego atomów
ciała. |