Теплород в истории науки или что такое тепло. Что не так с понятием «температура тела»
Те, кто помнят хотя бы школьный курс физики, знают, что в понятие «температура тела» вкладывают понимание уровня колебательных движений молекул или их хаотического движения (если это газы). Чем выше температура тела – тем сильнее колеблются (или движутся) молекулы. И если повышать температуру тела, то твердые тела могут расплавиться, т.е. нарушатся связи между молекулами настолько, что твердое перейдет в жидкое.
Но такое понимание физического принципа температуры было не всегда. В XVIII и даже в начале XIX века в физике существовало понятие теплород. Это невесомый флюид (разновидность материи со свойствами жидкости или газа), присутствующий в материи и являющийся причиной тепловых явлений. Понятие теплород ввел в 1783 году основатель современной химии, Антуан Лавуазье.
Считалось, что теплород всегда переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Но куда исчезает теплород в итоге, если все тела без внешнего источника тепла стараются охладиться – было загадкой.
Этот флюид в процессах горения в 17-18 вв. называли флогистон. Это «сверхтонкая материя» или «огненная субстанция», которая по представлениям ученых того времени наполняла все горючие вещества и высвобождалась из них при горении. В то время не было понимания многих физических процессов и в науке тех лет вводили такие понятия, чтобы хоть как-то объяснить видимые явления. Т.е. теплород – флюид тепла, а флогистон – флюид горения.
Это было примерно так же, как с темной энергией и темной материей в наше время. Астрофизики не знают, почему все звезды в спиральных галактиках вращаются с одинаковой угловой скоростью. И поэтому им пришлось ввести понятие новой материи и энергии, не излучающей и не поглощающей фотоны света. Про это была статья здесь:
После открытия кислородного процесса горения, флогистон, как субстанция был признан опровергнутой моделью горения. Так же произошло и с теплородом. Простые опыты с трением показывали, что тепло связано с трансформацией механического движения в тепловую. А еще теплород пытались доказать взвешиванием нагретого и охлажденного тела. Но безуспешно. Хотя, опыт некорректный. Это все-равно что доказывать электричество взвешиванием аккумулятора при полном заряде и в разряженном состоянии.
Но до сих пор многие исследователи задаются вопросом, что такое тепло и что такое температура тела. Есть ряд тонких моментов. Например, в теплопроводности тел.
Если уровень температуры тела – это уровень колебаний его молекул, то почему колебания не передаются столь быстро, как, например, звук в материи? Ведь звук – это тоже колебания молекул. Есть вещества с быстрым уровнем теплопроводности (медь, например), а есть и такие тела, которые проводят тепло крайне плохо (теплоизоляторы). Хотя, звук там и там будет проходить.
Существует понятие теплоемкости. Это способность вещества накапливать тепловую энергию. Т.е. колебания молекул в одних веществах затухают быстрее, а в других обладают большей инерцией. Получается, так? Ведь теплоемкость не всегда зависит от плотности вещества.
У нагретых тел есть одна особенность. Они излучают инфракрасное излучение, а при сильном нагреве – уже и видимое (сталь становится красным). Сильно нагретый вольфрам в лампе накаливания – уже имеет более белый свет.
Т.е. молекулы при сильных колебаниях испускают фотоны. Происходит перевод их кинетической энергии в другую, относящейся к квантовой физике. А там, как мы знаем, фотоны испускают электроны в атомах, переходящие с высшей орбиты на низшую. Получается, увеличение амплитуды (или частоты) колебаний атомов приводят к повышению уровня орбиты электронов, на которой он находится не долго. Спускается на низшую с испусканием фотона. Логика говорит так.
И вообще, увеличение температуры и повышение уровня колебаний атомов – это повышение амплитуды колебаний или частоты колебаний? Может быть, в узкоспециализированной литературе про это есть информация?
Некоторые исследователи, не имеющие отношения к академической науке, склоняются к мнению, что уровень температуры – это не уровень колебаний атомов, а уровень излучения тела фотонов. Не совсем с ними согласен. Т.к., например, олово вы будете жалом паяльника за счет ИК-излучения расплавлять долго, даже если держать его на расстоянии 0,5 мм. А при физическом контакте тепловая энергия олову передается мгновенно и оно плавится.
Считаю, что температура и тепло – это какое-то частотное состояние атомов вещества. В чем-то здесь у нас есть пробел. Излучение света (фотонов) при этом – лишь часть процесса в стремлении тела уравнять свою температуру с температурой среды.
В палеонтологии известны пять основных периодов глобального вымирания флоры и фауны. Плюс 20 менее масштабных. По современной геохронологической шкале это все случалось за последние 500 млн. лет. Окаменелости погибших организмов, слои породы и другие факты говорят о том, что на Земле случались какие-то катаклизмы, приводящие к исчезновению до 90% всего живого. К таким масштабным катастрофам относят Пермское вымирание.
Тогда исчезло 70% всех наземных видов животных и до 96% морских видов. Если модель катастрофы на суше еще можно как-то представить. Например, случилось сильнейшее извержение вулканов, суша покрылась магмой. Или упал астероид (как считается, падение крупного астероида погубила динозавров 65 млн. лет назад). То что случилось в воде? Вода резко не меняет свою температуру и в ней более безопасно, чем на суше. Предлагаю разобраться и обсудить модели произошедшего.
Ученые и натуралисты еще в 19 веке по находкам окаменелостей заметили, что на Земле что-то происходило, что приводило к массовому исчезновению живых организмов. До Дарвина главенствовала теория катастрофизма, освновоположником которой был Жорж Кювье.
Считалось, что те или иные виды организмов господствовали в определенный геологический период, который затем завершался их резким исчезновением вследствие резких и внезапных «катастроф». Позже появлялись новые и иногда совсем иные живые организмы.
Но потом в эту модель вмешалась теория эволюции Дарвина с ее логикой изменчивости видов. Хотя факт резкого и масштабного исчезновения флоры и фауны убрать не смогли. Чем объясняли вымирание?
Например, известный советский геолог Дмитрий Соболев в начале 20 века объяснял это горообразованием и ростом вулканической активности. Сам термин «массовое вымирание» ввёл в русскоязычную научную литературу советский геолог Борис Личков. Причем, в своих работах указывал масштабную причину – связал вымирания с «переворотами» Кювье, в свою очередь связанных с изменением скорости или направления вращения Земли.
Циклы вымираний назывались «волнами жизни» (по модели Соболева) и продолжались в среднем 60-70 млн лет. По этой концепции мы находимся на пороге нового катастрофического процесса, т.к. с момента последнего вымирания прошло 65 млн. лет.
Некоторые читатели могут провести аналогию про открытый лишь в наше время эффект Джанибекова. Тогда как про возможные «кувырки» Земли рассматривались еще в 19 веке. Если это происходило, то воды мирового океана "прокатились" по суше. И уцелеть животные и растения могли лишь высоко в горах.
Даже растительность не сгнила, была быстро законсервирована во время тех катастрофических процессов. Поэтому мы до сих пор можем находить отпечатки в породе древних растений и деревьев.
В наше время время есть последователи этой гипотезы, которые подняли на обозрение много новых фактов. Как пример, можно привести фильм Константина Захарова:
В западной науке вымирания рассматривали с изменением уровня океана и падением на Землю астероидов. Но точных причин, приведших к вымираниям никто не назовет. С наземными вымираниями еще можно предложить какие-то гипотезы, но почему в воде вымирало до 96% всех видов?
Можно предположить, что из-за отсутствия солнечного света после загрязнения атмосферы пеплом вулканов или пылью от падения астероида, погибли водоросли, которым нужен свет для фотосинтеза и за ними посыпалась вся пищевая цепочки. Исчезли и одноклеточные водоросли, корм для мальков рыбы и планктона. Это привело к исчезновению более крупных видов рыб и рептилий. Вроде как все логично. Но вымершие морские организмы и скелеты морских обитателей находят в слоях окаменевшей породы. Причем так, как-будто их накрыло этим грунтом и забетонировало.
Все они в нетронутом состоянии, тогда как при нехватке пищи в воде должны быть съедены, не осталось бы даже скелетов.
Одна из моделей говорит, что причина консервации морских обитателей в воде так называемые турбидиты. Это грязе-водяные потоки, стекающие с суши. Потоки могли распространяться от берега на многие десятки километров и уничтожать всю прибрежную экосистему. А на глубине, все знают, жизни не много.
В береговой линии, на шельфе, эти массы откладывались слоями. Когда дно поднималось, то обнажалась слоистая порода.
Откуда же возникли эти потоки на суше? Это могли быть масштабные выходы воды из недр во время геотектонических процессов, горообразования. На суше случался потоп, а вся смытая с суши масса грунта уничтожала жизнь и в океанах. Вернее сказать, в ее прибрежных районах. Именно поэтому, вымирания на суше идут бок о бок с вымираниями в воде.
Либо та масса воды, которая была заброшена инерционной волной при перевороте Земли на сушу, смыла грунт в океаны, что привело к аналогичным процессам вымирания в воде.
Известно, что Земля вращается и движется в пространстве с огромной скоростью. Скорость вращения на экваторе составляет 1674,4 км/ч (465,1 м/с). Так же Земля вращается вокруг Солнца со средней скоростью 29,76 км/с. Солнечная система со всеми планетами и Солнцем вращается вокруг центра галактики со средней скоростью 230 км/с (828 000 км/ч). Ну, и наша галактика Млечный Путь движется во Вселенной со скоростью примерно в 630 км/с, или около 2,3 млн км/ч.
В одной из статей я задавал вопрос: как при всех этих гигантских скоростях, на Земле не чувствуется никаких инерционных возмущений. Ведь гравитационное поле во Вселенной неоднородно. Где-то сильнее, где-то слабее и при движении мы должны ощущать торможения или ускорения. Должны случаться как минимум приливы и отливы на поверхности планеты независящие от Луны и имеющие хаотический график их появления и амплитуды.
Статья про эти космические скорости :
Эти силы, тормозящие или ускоряющие Землю – теоретические, предполагаемые. Так должно быть по логике вещей. Но есть одна реальная сила или явление, которая при таких скоростях точно должна воздействовать на все, что находится на поверхности Земли. Это нутация при вращении планеты.
Это небольшие колебания земной оси, сопровождающие прецессионное движение. Прецессия – изменение наклона земной оси (полный оборот ось на небосводе совершает за 26 тыс. лет).
Само явление нутации у Земли открыто в 1728 году астрономом Джеймсом Брэдли. Считается, что нутация вызвана воздействием гравитации от массивных тел Солнечной системы. Основной вклад в процесс вносит Луна, т.к. ее орбита вокруг Земли наклонена на 5° относительно плоскости эклиптики.
У нутации имеются разные периоды или гармоники: смещение периодом 13,7 суток, 27,6 суток, 6 месяцев, 1 год, 18,6 лет. Гармоника с периодом 18,6 лет имеет максимальную амплитуду 9". Эти покачивания оси Земли должны как-то ощущаться на ее поверхности при ее движении в космосе. Но это влияние отсутствует.
Вообще, интересно, что в нутации есть пять гармоник с разной амплитудой. Чем они вызваны? Только ли с влиянием планет и Солнца? Если провести аналогию с волчком или гироскопом, то при принудительном смещении оси появляется не только прецессия, но и колебания, нутации. Не исключено, что эти гармоники у Земли вызваны падением астероидов в прошлом.
Интересно, кто-нибудь рассчитывал резонанс от этих гармоник? Ведь при наложении в определенный период максимальные сдвиги могут многократно усиливаться и Земли должна совершать резкое смещение направления оси вращения. Могут образоваться цунами. А, может быть, это уже было в прошлом? Был потоп, время появление которого умели рассчитывать. Поэтому Ной в Библии построил ковчег заранее.
Наложение разнопериодических гармоник с усилением нутации можно представить в виде такого графика:
Мы обязательно за историю Землю должны были бы почувствовать воздействие этого резонанса (усиление нутации). Возможно, всемирные вымирания флоры и фауны (5 основных крупных вымираний) связаны именно с этим, с возникновением скачкообразных отклонений оси вращения Земли и цунами по всей поверхности Земли. Такой гипотезы я еще не встречал.
Еще интересный факт:
Сравнение наблюдаемой нутации с теоретической нутацией, вычисляемой по теории МАС1980, которая была принята Международным астрономическим союзом (МАС) в 1980 г., показало, что разница между ними значительно превышает ошибки наблюдений, которые равны примерно 1 мс дуги. Для объяснения этой разницы в 1994 г. была создана рабочая группа.
В рамках Международного союза геодезии и геофизики. Ученые решили создать новую теорию нутации. В течении семи лет работы были проанализированы течения в жидком вязком ядре, дифференциальное вращение твердого внутреннего ядра, сцепление жидкого ядра и мантии, неэластичность мантии, движения в океанах и атмосфере и т.д. И появилась новая теория нутации МАС2000, которая согласуется с наблюдениями в пределах 0,2 мс дуги.
На эту тему очень мало информации. Может быть ученые реально разобрались, а, может быть подогнали видимые наблюдения под расчеты. Известно, что МАС ежедневно мониторят нутации Земли и используют данные для навигации. Примерно как приливами-отливами. Точную их амплитуду никто рассчитывать не умеет.
Существует так называемая «Международная служба вращения Земли» с обсерваториями в Париже и Вашингтоне. Служба создана в 1987 году и занимается астрометрическими наблюдениями с целью определения угловой скорости вращения Земли и параметров прецессии и нутации.
У специалистов в этой области должна накопиться интересная статистика и они могут делать прогнозы по нутационным скачкам (резонансам). Но, как правило, такая реальная исследовательская наука закрыта от общественности за исключением редких публикаций и поверхностных докладов. Например о том, что скорость вращения Земли изменилось на столько-то секунд.