Conceptul de conservare a masei este o „mare idee” care a marcat sfârșitul alchimiei și începutul chimiei așa cum o cunoaștem noi. Antoine Lavosier este de obicei creditat cu „descoperirea” sa în 1789, făcând experimente chimice în containere închise, sigilate și cântărind lucrurile înainte și după ce s-au făcut procese chimice sau de încălzire pe containere. Dar la acea vreme se credea în „caloric” o „substanță de căldură” și mulți se întrebau dacă caloricul avea greutate. Oamenii cântăreau lucrurile înainte și după procesele chimice înainte de 1789, iar rezultatele erau confuze. În unele procese calorice părea să aibă greutate pozitivă, în altele avea greutate negativă.

experimente chimice

Deci, ce a venit primul? Ce a motivat experimentele care au dus la conservarea confirmării masei? A fost efortul de a găsi greutatea calorică? A fost o convingere că masa ar trebui conservată? A fost considerat caloric ca făcând parte din acea lege de conservare?

Ce l-a motivat în special pe Lavoisier? Munca sa experimentală a demolat teoria flogistonului/caloricului, care fusese acceptată de 100 de ani. Acesta a fost scopul său, de a confirma sau nega faptul că căldura (calorică) a avut greutate?

Cel mai bun cont pe care l-am găsit pe web despre această perioadă din istoria chimiei este Rochelle Forrester's History of Chemistry: From the Phlogiston Theory to the Periodic Table.

Teoria Phlogiston.

Chimiștii/alchimiștii din secolul al XVII-lea au încercat să înțeleagă procesele de ardere și combustie: modificările fizice lente ale metalelor din aer (calcinare, pe care acum o numim oxidare) și arderea rapidă a combustibililor. Un exemplu de calcinare este ruginirea fierului. Procesul invers este conversia minereului de fier în fier metalic. Calcinarea s-a produs „natural”, dar conversia minereurilor în metal ar putea fi realizată numai prin acțiunea de încălzire prin arderea lemnului sau cărbunelui.

În acest moment, cele patru elemente ale grecilor fuseseră deja redefinite. Aerul nu mai era considerat un element și, la sfârșitul anilor 1600, cele trei rămase erau numite „pământuri”:

  • Pământul vitros a dat soliditate materiei.
  • Pământul fluid i-a dat lichiditate.
  • Pământul gras (numit ulterior flogiston) i-a dat combustibilitate.

Becher le-a redefinit în trei „esențe”:

  • Sarea sau terra lapida, esența fixității și a inertității.
  • Mercur sau terra mercurialis, esența fluidității.
  • Sulful sau terra pinguis, esența combustibilității.

Medicul și chimistul german Gerog Ernst Stahl (1660-1734) în 1697 Bazele Zymotehniei redenumește terra pinguis „flogiston” considerând că este un singur principiu. În teoria sa a flogistonului, arderea sulfului și a altor substanțe, precum și calcinarea metalelor implică pierderea flogistonului. Metalul avea flogiston, dar calxul nu. Dar când calxul este reîncălzit cu carbon sau alte substanțe care conțin flogiston, calxul recâștigă flogistonul, restabilind metalul original. Lemnul și cărbunele trebuiau să fie bogate în flogiston. În acest timp, puțini chimiști făceau experimente chimice folosind măsurători atente, astfel încât teoria flogistonului părea adecvată. Teoria a descris corect multe experimente, dar au existat cazuri supărătoare, iar Stahl a început să se îndoiască de teoria flogistului de la începutul anilor 1700.

Teoria Phlogiston părea să ofere un model bun pentru multe experimente:

  • Contabiliza proprietățile similare ale metalelor, deoarece toate conțineau flogiston.
  • Metalele și calciile lor erau corelate, aveau doar cantități diferite de flogiston.
  • Acesta a explicat de ce lumânările se sting atunci când sunt plasate într-un borcan închis. Aerul se satură cu flogiston.
  • Un șoarece moare într-un recipient închis sau într-un recipient în care a fost arsă o lumânare până se stinge, deoarece aerul este saturat cu flogiston.
  • Cărbunele lasă foarte puțină cenușă atunci când arde, deoarece este aproape pur flogiston.
  • Unele cenușă metalică se transformă în metale atunci când sunt încălzite cu cărbune, deoarece cărbunele restabilește flogistonul la cenușă.

Dar au existat unele probleme supărătoare și cazuri inexplicabile.

Cea mai uimitoare problemă a fost aceasta: cărbunele, atunci când este ars, își pierde aproape toată greutatea, lăsând doar o cenușă ușoară. Dar metalele s-au îngrășat la oxidare, așa cum arătase Robert Boyle cu aproximativ 50 de ani mai devreme. Deci, într-un caz, cărbunele pierde în greutate atunci când pierde flogiston, dar în metal, câștigă în greutate atunci când pierde flogiston.

Jean Rey, în 1630, a constatat că staniul câștigă în greutate atunci când formează un calx, cu o cantitate mare (aproximativ 25%). Deci, cum ar putea crește în greutate dacă pierde flogiston? Stahl a raționalizat acest lucru în mod inteligent, sugerând că greutatea a crescut deoarece aerul a intrat în metal pentru a umple vidul lăsat după ce flogistonul a scăpat.

Unii chimiști au considerat că ar putea exista două tipuri de flogiston, unul cu greutate negativă (gravitate), unul cu greutate pozitivă (gravitație). Într-un fel, putem să credităm sau să acuzăm Newton pentru această idee de gravitate. Chimiștii, influențați de marele succes al muncii lui Newton în mecanică, și-au dat seama că trebuie să acorde mai multă atenție greutății în teoriile și experimentele lor. Au extins ideea greutății pozitive, adăugând ideea de greutate sau greutate negativă. După cum comentează Isaac Asimov: „Totuși, aceasta a fost o noțiune prostească și nu a durat mult”.

Chimiștii încă făceau experimente chimice în recipiente deschise, așa că nu și-au dat seama, așa cum facem noi acum, că oxigenul din aer participă la reacțiile chimice. Deci, doar „a cântări mai atent” nu a fost suficient pentru a rezolva dificultățile.

În 1772 Antoine Lavoisier a arătat că nemetalele arse în aer câștigă cantități surprinzător de mari de greutate. (Fosforul, de exemplu, își mărește greutatea cu un factor de aproximativ 2,3.) O schimbare atât de mare l-a convins pe Lavoisier că fosforul se combină cu ceva din aer atunci când arde. În concordanță cu această ipoteză este observația sa că atunci când fosforul arde într-o cantitate mică de aer, volumul aerului scade cu aproximativ 1/5. Amintiți-vă că Lavoisier arătase deja că aerul era nu era inert și era o substanță de care trebuie să ții cont atunci când faci chimie.

Astfel de probleme au stimulat măsurarea mai atentă și experimente în care s-a avut grijă să se cântărească Tot care ar putea lua parte la reacțiile chimice. O modalitate de a face acest lucru a fost studierea reacției chimice într-un recipient închis, sigilat. Când s-a făcut acest lucru, toate acele schimbări de masă nedumeritoare care fuseseră subiectul atâtor nedumeriri de aproape 100 de ani au dispărut pur și simplu! Teoria conform căreia flogistonul era o substanță materială era pe cale să moară până în anii 1780. Dar apoi, flogistonul a fost înlocuit cu „caloric”, o esență invizibilă, dar fără greutate. Caloricul nu a fost considerat a fi materie, dar ar putea fi „în” materie și ar putea „curge” de la corpurile fierbinți la frig.

Experimentele contelui Rumford și experimentele ulterioare ale lui Joule au eliminat în cele din urmă teoria calorică. Acum limba s-a schimbat din nou. Ceea ce fusese numit „caloric” se numea acum „căldură”, dar și astăzi elevii încă mai gândesc căldura ca pe o „substanță” și vorbesc despre „căldura dintr-un corp”. Acest limbaj este o relicvă a teoriilor flogistice și calorice și poate duce la dificultăți conceptuale în înțelegerea naturii adevărate și a mecanismului transferurilor de energie prin procese termice.

Ar trebui să menționăm că întregul episod a arătat importanța afirmării legilor de conservare cu referire la un „sistem închis”. Este oarecum surprinzător faptul că această idee, atât de importantă pentru toată fizica, nu a fost recunoscută anterior. Chiar și în lucrarea lui Newton, ideea nu a fost subliniată în mod explicit și Newton nu a formulat nicio lege de conservare, deși conceptul de conservare în masă este implicit în gândirea sa și în legile de mișcare ale lui Newton. Toate legile de conservare, referitoare la masă, energie, impuls și impuls unghiular, fac referire la ceea ce se întâmplă într-un sistem închis, unul în care nu intră sau iese nimic care să poată modifica ceea ce se întâmplă în interior.

Căldură și muncă comparate.

Există două moduri de a transfera energia de la un corp la altul:

  • Un corp care lucrează la altul.
  • Un corp încălzind altul.

Cum se poate ști ce se întâmplă atunci când două corpuri schimbă energie? Munca se face prin forțe macroscopice care determină o deplasare macroscopică a corpului acționat. Încălzirea se face prin forțe la nivel microscopic, provocând doar deplasări microscopice ale micilor constituenți ai materiei (molecule și atomi). Încălzirea poate avea loc fără a fi încălzită nicio deplasare a centrului de masă al corpului. Munca deplasează întotdeauna centrul de masă.

Resurse web care merită o privire serioasă.

  • Indexul paginilor web ale lui David Harrison. Universitatea din Toronto. Multe documente excelente la toate nivelurile colegiului.
  • Lumina și materia lui Benjamin Crowell, un alt manual online complet de fizică.

Pe măsură ce citiți alte cărți și resurse web, fiți atenți la faptul că mulți dintre ei încă folosesc cuvântul „căldură” pentru a însemna „energie termică internă” a unui corp. Prefer, la fel ca mulți alți autori, să rezerv cuvântul „căldură” pentru transfer de energie de la un corp la altul.

Mergeți la capitolul următor, Bilele care se ciocnesc. Energia și impulsul în coliziuni.
Reveniți la pagina de conținut a Un scurt curs de mecanică clasică.
Reveniți la prima pagină a lui Donald Simanek.