Dziecko z termometrem.pdf

jak to odkryli

obserwacją zjawisk fizycznych. I choć może nie

zawsze zdajemy sobie z tego sprawę, to nasza

intuicja w głównej mierze jest wykreowana dzięki

obserwowaniu świata zewnętrznego, w którym nie-

ustannie coś się dzieje. Każdy z nas ma w sobie jakoś

zakodowaną chęć poznawania rzeczy nowych i wyko-

nywania pouczających doświadczeń. Świadczy o tym

doskonale choćby zachowanie małych dzieci, które

z każdym dniem poznają nowe tajemnice otaczające-

Tomasz Sowiński

w 2005 roku skoń-

czył z wyróżnieniem

studia na Wydziale

Fizyki Uniwersytetu

Warszawskiego

w zakresie fizyki

teoretycznej. Obec-

nie jest asystentem

w Centrum Fizyki

Teoretycznej PAN.

Z zamiłowania zaj-

muje się populary-

zacją nauki. W roku 2005 był nominowany do nagrody

w konkursie Popularyzator Nauki organizowanym przez

Ministerstwo Nauki i Informatyzacji oraz Polską Agencję

Prasową.

Dziecko

z termometrem

Tomasz Sowiń ski

go świata. W ich oczach widać ogromne zaciekawie-

nie wykonywaniem, wydawałoby się, nawet najbar-

dziej trywialnych, eksperymentów. Kiedy dziecko bie-

rze do ręki pierwszy raz grzechotkę i słyszy jej cha-

rakterystyczny dźwięk, nie może wyjść z podziwu,

że ruszając rączką, można ułożyć „taką sympatyczną”

muzyczkę. Jakże wielkim zdziwieniem jest dla niego,

gdy pierwszy raz ową grzechotkę upuści na ziemię

i za żadne skarby nie chce ona wrócić do jego ręki.

Niezbędna jest wtedy pomoc rodzica. Z dnia na dzień

dziecko, a później dorosły człowiek, coraz lepiej rozu-

mie, że każde konkretne działanie jest przyczyną

jakiegoś konkretnego

zdarzenia. To po-

zwala mu budo-

wać w głowie abstrakcyjny model rzeczywistości,

dzięki któremu szybko uczy się przewidywać konse-

kwencje różnych swoich działań. W pewnym momen-

cie rozwoju samo obserwowanie różnych zjawisk

przestaje być jednak interesujące i w głowie zaczyna

kiełkować pytanie: dlaczego? Dlaczego jest tak, że jak

ruszam ręką, to grzechotka wydaje dźwięki? Dlaczego

upuszczona grzechotka nie chce wrócić do ręki? Dla-

czego...? Dlaczego...? Gdy człowiek zaczyna zadawać

takie właśnie pytania, czyli mniej więcej w wieku 3–4

lat, staje się fizykiem . U przeważającej większości lu-

dzi ten etap rozwoju jednak w pewnym momencie się

kończy i tym samym przestają oni być fizykami. U nie-

licznych, takich jak ja czy ty, młody Czytelniku, poszu-

kiwanie odpowiedzi na pytania zaczynające się od

skromnego „dlaczego” staje się pasją na całe życie.

MOJE ULUBIONE PYTANIE

Każdy z nas fizyków ma swoje ulubione pyta-

nie, na które poszukuje odpowiedzi w każdej wolnej

chwili. I choć początkowo wydaje nam się, że odpo-

wiedź na nie szybko uda nam się znaleźć, okazują się

zagadką na całe dziesiątki lat. Moje pytanie narodziło

się w mojej głowie w pierwsze Boże Narodzenie, któ-

re pamiętam. Była wtedy bardzo sroga zima i nieus-

tannie padał śnieg. Tak jak każde dziecko uwielbia-

łem różnego rodzaju zabawy na śniegu, ale jedna

rzecz mnie w śniegu zawsze denerwowała – to że nie

można go sobie, choćby troszkę, wziąć do domu. Ileż

ja wykonałem w swoim dzieciństwie różnych prób

przechowania śniegu w domu pod swoim łóżkiem.

Próbowałem go trzymać w szklance, w garnku, na pa-

pierze, na styropianie, na jeżyku do kredek, a nawet

N asze codzienne życie związane jest z nieustanną

cieczy, gdzie ma się ustawić. No i rzecz, która była

dla mnie zawsze największym zaskoczeniem i przez

którą niejedną noc w swoim dzieciństwie, zamiast

spać, spędziłem na rozmyślaniu. Jak to do licha się

dzieje, że każde, ale to absolutnie każde, ciało ma ja-

kaś temperaturę? Przecież każde ciało jest zbudowa-

ne zupełnie inaczej, ma inne parametry fizyczne, inny

kolor. Jedne, jak kawałek stołu czy ubrania, są wi-

dzialne, inne, jak woda czy szkło, są przezroczyste,

a jeszcze inne jak powietrze są zupełnie niewi-

dzialne. Ale każde z nich ma temperaturę!

I niezależnie od tego, czym jest to ciało, to

temperaturę zawsze można zmierzyć tym

samym termometrem. Oczywiście o ile ter-

mometr ten ma na skali taką liczbę, która będzie

pasowała do temperatury, jaką ma dane ciało.

pod kołdrą. Zawsze jednak, wcześniej czy później,

kończyło się tak samo – małą lub dużą kałużą na pod-

łodze. I choć dorośli wielokrotnie mi tłumaczyli, że

śniegu nie można utrzymać w domu, „bo jest za wy-

soka temperatura”, to ja nie dawałem za wygraną.

Nie mogłem uwierzyć, że jakaś tam „temperatura”

będzie mi mówiła, co można, a co jest niemożliwe.

Tym bardziej że nikt z dorosłych nie potrafił mi do

końca wytłumaczyć czym jest owa „temperatura”.

Powszechnie panowało jedynie przekonanie, że jak

jest zbyt niska, to można zachorować, a jak zbyt wy-

soka, to się oparzyć. No i że zdrowy człowiek to ma

tej temperatury trzydzieści sześć i sześć stopni jakie-

goś tam Celsjusza. Ale czym ona tak naprawdę jest,

stało się jednym z pytań, przez które do dziś pozosta-

łem fizykiem.

MOJE PRZYGODY Z TEMPERATURĄ

Chcąc lepiej zrozumieć, czym jest temperatura,

zacząłem ją mierzyć dla różnych ciał. Muszę przy tym

przyznać, że dużą rolę w tym moim eksperymentowa-

niu odegrał mój tata, który zawsze dysponował dużą

kolekcją odpowiednich termometrów i umiał zapropo-

nować odpowiednie doświadczenie. Zasługą mamy

było natomiast przymrużone oko, które pozwalało

nam się „bawić” w eksperymenty. W tym miejscu

chciałbym zaapelować do wszystkich rodziców: jeśli

Wasze dziecko chce zrobić jakiś eksperyment, który

wydaje Wam się nawet bardzo głupi – pro-

szę! Pozwólcie mu na to! Jedyne, o co za-

dbajcie, to bezpieczeństwo Waszych po-

ciech. Nie tłumcie natomiast ich ciekawo-

ści świata.

Wracając jednak do moich do-

świadczeń z temperaturą, chciałem

powiedzieć, że bardzo szybko do-

wiedziałem się, że gdy włoży

się termometr do wrzącej

wody, to poziom cieczy

w termometrze ustali

się na poziomie stu

stopni Celsjusza.

Gdy natomiast

będzie on zanu-

rzony w wodzie,

w której od dłuż-

szego czasu (po-

wiedzmy 30 min)

zanurzone są

kostki lodu, to ter-

mometr będzie

wskazywał tajem-

nicze ZERO.

POMIAR TEMPERATURY

Powszechną wiedzą jest fakt, że temperaturę

mierzy się urządzeniem zwanym termometrem . Naj-

częściej spotykane termometry wykonane są z papie-

rowej skali i przyczepionej do niej szklanej rurki, która

wypełniona jest zabarwionym alkoholem (kiedyś wy-

pełniało się je rtęcią). Termometr to takie cwane urzą-

dzenie, w którym po przyłożeniu do dowolnego ciała

poziom cieczy wypełniającej rurkę sam ustala się na

konkretnej wysokości. Odczytując odpowiednią liczbę

na skali, do której przyczepiona jest rurka, mówimy,

że dokonaliśmy pomiaru temperatury.

W procesie po-

miaru temperatury

niewątpliwie jest

coś tajemniczego.

Oto, po przyłożeniu

termometru, ciecz

zaczyna zmieniać

swój poziom, tak jak-

by stawało się jej

więcej albo mniej.

Gdyby tego było

mało – ustala się

ona na konkret-

nym poziomie,

co oznacza, że

nie jest to zu-

pełnie przypad-

kowy proces, ale

coś „mówi” tej

DZIE CIĘCA DEFINICJA TEMPERATURY

Pierwszą próbę wytłumaczenia, czym jest tem-

peratura, podjąłem po eksperymencie polegającym na

mieszaniu wody o różnej temperaturze. Jeśli zmiesza-

my ze sobą jedną szklankę wody o temperaturze

100°C (fizycy używają symbolu ° zastępując słowo

„stopni”, aby krócej się pisało) i jedną szklankę wody

o temperaturze 0°C, to otrzymana mieszanina będzie

miała temperaturę ok. 50°C – czyli dokładnie w poło- 51

jak to odkryli

wie między nimi. Jeśli zmieszamy natomiast trzy

szklanki pierwszej z jedną drugiej, to temperatura

mieszaniny wzrośnie do 75°C. Moja dziecięca fantazja

sprawiła, że postawiłem następującą hipotezę: tem-

peratura to taka magiczna ciecz znajdująca się w wo-

dzie, która przepływa z jednej części wody do drugiej

tak, aby jej poziom się wyrównał. Graficznie wyobra-

żałem to sobie następująco:

własne prawo fizyki od tej pory brzmiało tak: „Grzej-

ność to taka magiczna substancja, która przepływa

pomiędzy substancjami tak, aby jej poziom się wy-

równał. Dana substancja ma tym więcej grzejności

w sobie, im większą ma temperaturę”.

Miałem swoją hipotezę, która dla mnie miała

rangę prawdziwego prawa fizyki. Jednak, jak to za-

wsze bywa z rewolucyjnymi teoriami naukowymi, na-

potkała ona duży opór mojego „środowiska naukowe-

go”, czyli moich rodziców. Mojemu tacie szybko udało

się znaleźć dziurę w moim naukowym prawie. Zrobił

to jednak na tyle sprytnie, że nie zniszczył mojej fascy-

nacji grzejnością i temperaturą, ale wręcz przeciwnie

– bardzo ją rozbudził.

KONTRDOŚWIADCZENIE

Rzeczywiście taka hipoteza dobrze

tłumaczy wynik wspomnianego eks-

perymentu. W każdej szklance go-

rącej wody jest wyższy poziom

owej magicznej substancji niż

w każdej szklance zimnej. Tym

samym po ich zmieszaniu woda

będzie miała temperaturę po-

średnią – dokładnie taką, jaka

wynika z proporcji mie-

szania wody o róż-

nych temperatu-

rach. Byłem

bardzo dumny

ze swojego

odkrycia.

Doświadczenie, które zostało mi zademonstro-

wane, było bardzo proste. Wodę gotujemy, aż zacznie

wrzeć. Następnie zdejmujemy ją z palnika i odstawia-

my na bok w spokoju. Wkładamy do niej termometr

i mierzymy jej temperaturę dokładnie co 10 minut.

Następnie, po kilku godzinach obserwacji, wynik na-

nosimy na wykres zależności temperatury od czasu.

Oczywiście wielki naukowiec (czyli ja, Tomek, lat 7),

wszystkie odczyty robiłem samodzielnie i samodziel-

nie rysowałem też wykres. To co otrzymałem, wyglą-

dało mniej więcej tak:

Szybko doszedłem do wniosku, że muszę

swoje prawo troszkę zmodyfikować, a to

ze względu na fakt, że różne ciała

w różnym tempie „oddają” swoją

temperaturę. Otóż po zmieszaniu

szklanki wody o temperaturze

20°C ze szklanką zimnego oleju

z lodówki o temperaturze 4°C,

otrzymana mieszanina nie mia-

ła wcale temperatury 12°C, jak-

by wskazywały wcześniejsze

eksperymenty. Temperatura

była nieco wyższa (ok. 17°C),

co wskazywało na to, że tej

magicznej substancji jest więcej

w wodzie niż w oleju o tej samej

temperaturze. Z dziecinną wręcz

pasją nazwałem tę magiczną

substancję „ grzejnością ”, a moje

Z otrzymanego wykresu wynika

bez żadnych wątpliwości, że tempera-

tura wody spada w miarę upływu cza-

su. Spada zatem również ilość zawartej

w niej grzejności. Dodatkowo dzieje

się to w sposób dość dziwny. Naj-

pierw woda stygnie dość gwałto-

wanie, a później coraz wolniej

i wolniej. Aż w pewnym momencie

można uznać, że temperatura wo-

dy już zupełnie się nie zmienia.

Pytanie jest więc oczywiste: jak

wytłumaczyć takie zachowanie

temperatury wody moją „doskona-

łą” hipotezą o grzejności?

Nie muszę chyba nikomu

tłumaczyć, że po przeprowadzeniu

tego eksperymentu nie miałem za

ciekawej miny. Wtedy zrozumia-

łem, że moja hipoteza o tym, że

temperatura jest magiczną cieczą,

musi zostać poważnie zrewidowana. Jak bowiem

można wytłumaczyć to, że znika ona jakoś z zagoto-

wanej wody i to w taki dziwny niejednostajny sposób

i zatrzymuje się na pewnej wartości ok. 25°C. Aby

bardziej zachęcić mnie do myślenia, tata zapropono-

wał mi powtórzenie tego samego eksperymentu, ale

dla wody, która uprzednio całą noc stała w lodówce.

Z wielkim zaciekawieniem stwierdziłem, że woda wy-

ciągnięta z lodówki ma temperaturę ok. 4°C. Wyniki

pomiarów temperatury tej wody również wykonywa-

łem co 10 minut, a wynik umieściłem na tym samym

wykresie. To, co otrzymałem, wyglądało teraz tak:

EUREKA!

Podobnie jak od-

krycia wielkich naukow-

ców, trop prowadzący

do rozwiązania mojej

zagadki pojawił się

przypadkowo.

Przynajmniej tak

mi się wtedy wy-

dawało. Gdy pew-

nego dnia rano ma-

ma wzięła mnie

z pokoju i prowadzi-

ła do łazienki, spoj-

rzałem na termometr

wiszący na ścianie.

Jakim wielkim i zara-

zem miłym zaskocze-

niem było dla mnie, że

wskazuje on temperaturę

25°C. Tak! Wskazywał on dokładnie tę samą wartość,

którą każda woda (zarówno ciepła, jak i zimna) chcia-

ła tak bardzo osiągnąć. Krótko mówiąc, była to ta sa-

ma temperatura, jaką miało powietrze w naszym mie-

szkaniu. W tym momencie całkowicie zrozumiałem,

jakie jest rozwiązanie mojego naukowego problemu.

Dla pewności zmierzyłem jeszcze temperaturę w bu-

tach w przedpokoju, temperaturę ziemi w doniczce

z kwiatkiem oraz temperaturę wody z kiszonych ogór-

ków stojących od kilku dni w kuchni. Każda z nich

wynosiła dokładnie 25°C. Wszystkie ciała, które do-

statecznie długo stały zupełnie swobodnie, miały

tę właśnie temperaturę. Wszystkie inne – cieplejsze

i zimniejsze – spontanicznie dążyły do uzyskania tej

temperatury. A moja hipoteza brzmiała następująco:

„Temperatura jest pewną miarą ilości grzejno-

ści zawartego w danym ciele. Grzejność jest nato-

miast taką magiczną cieczą, która przepływa pomię-

dzy ciałami w taki sposób, aby ich temperatura się

wyrównała. Im większa jest różnica pomiędzy tempe-

raturami, tym grzejność pomiędzy ciałami przepływa

szybciej, a gdy ciała mają tę samą temperaturę, to

grzejność pomiędzy nimi nie przepływa”.

W taki właśnie sposób powstało pierwsze ofi-

cjalne prawo mojej dziecinnej fizyki. z

Wykres, który otrzymałem, był dla mnie wiel-

kim przeżyciem. Wynikało z niego wprost, że woda

wyciągnięta z lodówki ogrzewa się w sposób niejed-

nostajny i jej temperatura zatrzymuje się na

25°C. Na tych samych 25°C, na których za-

trzymuje się woda gorąca przy ochładza-

niu. Owe 25°C stały się dla mnie na parę

dni magiczną wartością temperatury,

poniżej której woda gorąca nie chce się

sama ochłodzić i powyżej której woda

zimna nie chce się sama ogrzać.

Pierwszy pomysł na wyjaśnienie tego zadziwiającego

zjawiska był dla mnie dość oczywisty: woda zawsze

dąży do uzyskania temperatury 25°C. I to dąży tym

szybciej, im dalej od tej temperatury się znajduje. Ale

dlaczego? Co jest takiego w tej wodzie, że chce ona

mieć za wszelką cenę taką temperaturę? Na rozwią-

zanie tego problemu znów musiałem poświęcić kilka

nieprzespanych nocy. Tym bardziej że miałem niemal

pewność, obserwując uśmiech mojego taty, że on zna

odpowiedź na to pytanie. Na nic jednak były moje

prośby o wyjaśnienie. Widząc moje zaangażowanie,

wiedział, że nie pozostawię tego pytania bez odpo-

wiedzi. Miał też w sobie przekonanie, że gdy odpo-

wiedź znajdę sam, to będę miał z tego dużą większą

radość.

Od autora

Miłym zaskoczeniem było dla mnie, gdy w li-

ceum dowiedziałem się, że:

z to, co nazywałem w dzieciństwie grzejnością,

w fizyce nazywa się ciepłem;

z magiczną substancją, którą utożsamiałem w swoim

dzieciństwie z grzejnością, do końca XIX wieku na-

zywano flogistonem. Było to, zanim ludzkość zrozu-

miała, czym jest ciepło;

z doświadczalną obserwację, że prędkość przepływu

ciepła pomiędzy ciałami jest proporcjonalna do róż-

nicy temperatur tych ciał historycznie nazywa się

prawem Newtona, gdyż to właśnie sir Isaac New-

ton jako pierwszy je odkrył i ilościowo opisał;

z spostrzeżenie, że pomiędzy ciałami, które mają tę

samą temperaturę, nie ma spontanicznego przepły-

wu ciepła, nazywa się w fizyce zerową zasadą ter-

modynamiki.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: