Adam Cebula „Szlachetnie ciepło”

Para-Nauka Adam Cebula - 13 października 2014

baron_cieploKolejny artykuł alarmistów klimatycznych owszem, wkurzył mnie, ale skłonił do napisania czegoś w rodzaju przytyku czy prztyczka do pewnej części zagadnienia. Sprawy się bowiem mają tak, że owi alarmiści starają się przedstawić sceptyków jako niedouczonych prawicowców. Którzy generalnie swoje wątpliwości opierają na ludowej wiedzy i przesądach.

Tymczasem – jak się dobrze przyjrzeć – to pisanie o efekcie cieplarnianym jest ślicznym przykładem procesu, nazwijmy to uczenie, medializacji wiedzy. Jeśli brzmi zbyt zachęcająco, to użyję słówek „uludowianie” albo „rozmydlanie”. Właściwie na każdym etapie mamy proceder podstawiania pod fizyczne pojęcia ludycznych treści. Chciałem się zająć tylko jednym z nich, mianowicie tym, czym właściwie jest ocieplanie się czegokolwiek.

Chodzi o rozumienie pojęcia ciepła. Ani trochę nie celuję w systematyczny wykład, raczej na pokazywanie na palcach. Rzecz bowiem w tym, że z ciepłem ludzie mieli bardzo długo problem. Bardzo długo posługiwano się pojęciem fluidu ciepła, z polska zwanego cieplikiem. A do dnia dzisiejszego dość elementarne zagadnienia termodynamiki – jak entropia – budzą dygot przejęcia i przerażenia humanistów. Historia uczy nas, że z rozumieniem ciepła był kłopot i jest do dnia dzisiejszego z powodu tych samych zastawek, jakie nosimy we własnych głowach.

Co innego ciepło, co innego temperatura. Więc… każdy wie, że ciepło to ruch cząsteczek. Nie… Niedokładnie. Fizycznie musimy mieć coś, co się da zmierzyć. Ciepło jest związane z ruchem cząsteczek, chaotycznym ruchem cieplnym, ale ilość ciepła to – powiedzmy trochę na przełaj – suma energii kinetycznych cząsteczek. Ilość ciepła mierzymy „po prostu” w dżulach. Wiem, że ktoś, dla kogo jest to zwyczajne i po prostu, jest kimś innym, a dla reszty to trochę magia, jednak dżul to coś dla fizyka bardzo zwyczajnego. To ilość energii, jaką np. dostarczymy ciału, oddziałując na nie (pchając, ciągnąc) na drodze 1 metra z siłą 1 niutona. Niuton to siła, z jaką naciska na naszą rękę ciężar ciut większy niż 100 gramów. Kilo cukru ciągnie naszą rękę z siła ciut mniejszą niż 10 niutonów, prawie dokładnie 9,81 niutona.

Takim to sposobem przechodzimy od wielkości, które można zmierzyć za pomocą wagi i dynamometru do termometrów. Niutony zamieniają się przez metry na dżule, a dżule można zamienić na kalorie – te same, które liczy się niezwykle starannie przy odchudzaniu. Mierząc ciepło spalania – czy to ciastka, czy benzyny – mierzymy ilość energii, jaka się wydzieli, energii, która może się zmienić w mechaniczną, elektryczną czy jakąś inną formę, ale zawsze mierzoną w dżulach (albo w starych jednostkach, kaloriach, które na dżule zamieniamy mnożąc ich liczbę przez 4,19).

Ciepło to energia, a temperatura tak mniej więcej, są jeszcze tzw. stopnie swobody, to jest średnia energia kinetyczna cząsteczek. Wystarczy przemnożyć ją przez magiczny współczynnik (związany pokrętnie z tragiczną postacią Boltzmaniusza) i dostaniemy stopnie. Czyli mamy sprawy proste: cząsteczki zaczynają się szybciej poruszać, temperatura rośnie. No… w zasadzie. Zaraz pokażemy, że niekoniecznie. Na razie zauważmy, co robi termometr: mierzy on średnią energię kinetyczną cząsteczek. Zostawmy w spokoju pytanie, jak to się dzieje, że słupek rtęci wydłuża się proporcjonalnie do przyrostu tej energii. Przyjmijmy na wiarę inne spostrzeżenie: jeśli zetkniemy ze sobą dwa ciała, które są zbudowane z cząsteczek o dramatycznie różnej masie, to nasza definicja temperatury dobrze zadziała. Pomimo tego, że aby np. cząsteczka wodoru i atom ołowiu, pragnąc mieć te same energie kinetyczne, muszą się poruszać z zupełnie różnymi prędkościami. Bo energia kinetyczna to mv2/2. Mimo to, gdy wetkniemy do butli z wodorem bryłę nagrzanego ołowiu, termometr po pewnym czasie pokaże te same temperatury metalu i gazu, i będzie to oznaczać, że średnie energie cząstek obu substancji są równe.

Niestety, aby za pomocą termometru zmierzyć, ile mamy dżuli w postaci energii cieplnej w danym ciele, musimy się posłużyć nie całkiem prostym przeliczeniem. Aby jeszcze sprawę pogmatwać, dodam, że zawsze posługujemy się nie liczbą tych dżuli „w ogóle”, ale różnicą; praktycznie potrzebujemy wiedzy o tym, ile ciało pochłonęło albo oddało owych dżuli ciepła. Wyliczamy to ze wzoru Q=mc(T2-T1)

Jeśli wrzuciliśmy do butli z wodorem rozgrzany ołów, to ile dżuli oddał on, ogrzewając gaz, wyliczymy z tego wzoru; mierząc spadek temperatury przyjmujemy, że T1 była na początku, T2 na końcu, więc otrzymamy ujemną wartość (T2-T1), mnożąc to przez masę ołowiu m oraz wartość ciepła właściwego c. To „c” mówi, ile dżuli potrzeba na ogrzanie 1 grama substancji o jeden stopień Celsjusza lub Kelvina. Wyłazi tu napomknięta uprzednio sprawa stopni swobody, ale zostańmy na tym poziomie wiedzy, że różne substancje na jednostkę masy potrzebują różnych ilości dżuli ciepła, by się ogrzać o jeden stopień Celsjusza lub Kelvina.

Jak do tej pory niczego rewelacyjnego nie powiedzieliśmy. Jeśli temperatura jakiegoś ciała rośnie, to zwiększa się ilość energii kinetycznej jego cząsteczek, jeśli maleje ta energia, to temperatura spada. Możemy powiedzieć na razie, że mierzenie ogrzewania się za pomocą termometru jest znakomitym i niezawodnym sposobem. Dodajmy jednak, ogrzewanie się lub ochładzanie mierzymy nie stopniami, ale dżulami, stopnie służą nam do wyliczenia tych dżuli. Tu pies pogrzebany.

Możemy sobie z grubsza wyobrazić ogrzewanie jako ruch piłek w zamkniętym naczyniu. Kiedy jest zimniej, biegają wolniej, a gdy cieplej – szybciej. Ruch nie zamiera, bo nie ma tarcia na poziomie cząsteczkowym. Prawie nie ma. Wyobraźmy sobie teraz salę gimnastyczną z mnóstwem piłek, z oddziaływaniem grawitacyjnym, czyli taką trochę zwykłą salę, która ma galeryjki dla publiczności. Wyłączamy w naszym modelu tarcie i wpuszczamy na parkiet dzieci, a te zaczynają piłki podrzucać. Dzieci robią nam w tym modelu za grzejnik. Skoro nie ma tarcia, nasze piłki muszą się poruszać coraz szybciej. Podskakują coraz mocniej, aż zaczynają wpadać na galeryjki. Czy te piłki na galeryjkach będą miały takie same prędkości jak na parkiecie? Średnio na pewno nie, bo piłka, lecąc w górę, pokonuje siłę grawitacji i zwalnia. W rezultacie – choć na poziomie podłogi miała dużą prędkość, na galeryjce będzie się poruszać ledwo-ledwo.

To model przemian fazowych. Aby cząstki wody mogły się oderwać od bryły lodu i swobodnie biegać w cieczy, muszą pokonać siłę przyciągania międzycząsteczkowego. Jeszcze więcej energii potrzeba, aby cząstka wody oderwała się od powierzchni cieczy i fruwała sobie w powietrzu w postaci gazowej. Lód topnieje bez zmiany temperatury, cząsteczki pary wodnej mają temperaturę 100 stopni Celsjusza (w warunkach zwanych normalnymi), taką samą, jaką ma wrząca woda. Taka sztuka, że grzejemy, a temperatura nie zmienia się! Dostajemy w zamian inną fazę substancji – ciecz albo gaz. Dodajmy jeszcze, że ilość ciepła potrzebna do przemienienia lodu w wodę, a wody w parę, jest wielka; dziesiątki, setki razy większa niż potrzeba jej do ogrzania tej samej ilości czy to lodu, czy wody o jeden stopień Celsjusza.

Ściągnij tekst:
Strony: 1234

Mogą Cię zainteresować

Adam Cebula „W gruncie rzeczy wróżba”
Felietony Adam Cebula - 19 kwietnia 2016

Komputer twoim oknem na świat we wszelkich jego aspektach, czyli Adam Cebula przetrząsa zakamarki…

Adam Cebula „Jeszcze starsze ludy”
Para-Nauka Adam Cebula - 13 października 2017

Jestem sceptykiem, niedowiarkiem. Mój światopogląd, jeśli takowy da mi się przypisać, jest…

Adam Cebula „Net na głodzie”
Felietony Adam Cebula - 29 lipca 2016

Adama Cebulę nawiedziła wizja netu jako misia wypchanego bezwartościowymi pakułami. Przerażająca była…

Do NOT follow this link or you will be banned from the site!