П’єр-Саймон Лаплас
(1749-1827)
Дисертація з тепла
Деталі
Mémoire sur la chaleur. Lu à l'Académie Royale des Sciences, 28 липня 1783. Par Messrs. Lavoisier et de La Place, de la même Académie
(у: Мемуари про спеку. Прочитано Королівській академії наук, 28 червня 1783 р., пани Лавуазьє та де Ла Плейс, тієї ж Академії, Академічна публікація Ніла Ватсона, Нью-Йорк, 1982)
ЧАСТИНА ЧЕТВЕРТА
Про печіння та дихання
Для визначення об'єму повітря, що міститься в просторі EBD, E'BD ', E''BD' ', у витяжку наливали воду до відповідних рівнів, і обсяги, про які йдеться, отримували в кубічних дюймах від визначених ваг. Оскільки на повітря у витяжці впливали різні тиски, оскільки рівень ртуті в витяжці був різним, об’єм повітря в кожному випадку перетворювався на тиск 28 дюймів ртуті. Нарешті, експериментальні результати були модифіковані, щоб отримати дані, що відповідають зовнішній температурі 10 градусів, нагадуючи, що при температурі близько 10 градусів повітря розширюється до 1/215 разів за об'єм із підвищенням температури на один градус. Тому перераховані нижче гази вважаються температурою 10 градусів і тиском 28 дюймів ртутного стовпа.
У попередньому експерименті ми починали з 202,35 кубічних дюймів кисню. Тільки згоряння вугілля зменшило цю кількість до 170,59 кубічних дюймів, і після того, як зв'язане повітря поглинуло луг, залишилось не більше 73,95 кубічних дюймів повітря. Кількість спаленого вугілля, за винятком золи, становило 17 2/10 гранул; загальна вага фосфору та пастки може становити половину гранули. У кількох експериментах також було виявлено, що зола з деревного вугілля важить близько 10 гранул за унцію. Таким чином, можна зробити висновок, що в цьому експерименті було спожито близько 18 гранул вугілля, включаючи золу.
Кисень, який ми використовували, містив близько 1/57 об'єму зв'язаного повітря; вода, яку ми тримали кілька місяців, не поглинула цієї кількості. Сильна прив’язка зв’язаного повітря до кисню свідчить про те, що після поглинання зв’язаного повітря лугом у наших експериментах повітря все ще містило невелику кількість зв’язаного повітря, об’єм якого з допустимою похибкою можна вважати 1/57 частин . Таким чином, загальний об’єм кисню, перетравленого вуглецем, можна отримати, припустивши різницю між об’ємом повітря до згоряння та після його поглинання лугом та зменшивши результат на 1/57. Подібним чином, якщо з обсягу повітря, що поглинається лугом, відняти ту саму кількість, отримується об’єм зв’язаного повітря, що утворюється під час горіння. Отже, ми отримуємо, що спалювання унції вугілля споживає 4037,5 кубічних дюймів кисню і виробляє 3021,1 кубічних дюймів зв’язаного повітря. Якщо кількість споживаного кисню взяти за одиницю, його об’єм зменшується до 0,74828 після згоряння.
Щоб дати обсяги кисню та зв’язаного повітря як ваги, нам потрібно знати вагу одного кубічного дюйма обох газів. Встановлено, що кисень трохи важчий за атмосферне повітря, у співвідношенні приблизно 187/185. Вагу атмосферного повітря дуже точно визначив пан де Люк. На основі цих вимірювань ми отримуємо, що при температурі 10 градусів і барометричному тиску 28 дюймів ртутного стовпа один кубічний дюйм кисню важить 0,47317 гранул. Пан Лавуазьє зазначає, що при однаковій температурі та тиску один кубічний дюйм зв'язаного повітря важить майже 7/10 гранул. На підставі результатів одна унція вугілля споживає 3 3167 унцій кисню під час згоряння і виробляє 3 6715 унцій зв’язаного повітря. Таким чином, 10 частин зв’язаного повітря містять близько 9 частин кисню та 1 частину вуглецю, що є основою зв’язаного повітря. Але для таких чутливих вимірювань потрібно набагато більше експериментів.
Ми бачили, що одна унція вугілля спалює 6 фунтів 2 унції льоду, не важко визначити, що перетворення однієї унції кисню на вугілля спалює 29 547 унцій льоду і утворення однієї унції зв’язаного повітря може розплавити 26 692 унції льоду.
З максимальною обережністю ми констатуємо кількість тепла, яке утворюється при спалюванні вугілля в унції кисневого газу. Тепло, що генерується в цей час, було визначено лише в одному експерименті, і хоча умови були дуже сприятливими, ми могли реально бути впевненими в точності вимірювання, якби його повторювали кілька разів. Ми вже говорили, але ми не можемо підкреслити достатньо, що ми пропонуємо не в першу чергу результати наших експериментів, а наш метод науковцям і просимо їх, якщо цей метод виглядає дещо вигідним, перевірити експерименти, які ми самі маємо намір повторити з максимальною обережністю.
Якщо фосфор спалюється в апараті, описаному вище,. ми можемо зробити дуже дивовижний висновок, що коли фосфор поглинає газ кисню, тепло, що виділяється газом кисню, приблизно в два з половиною рази більше, ніж при перетворенні кисню в зв'язане повітря.
На сторінці 597 дисертації Академії 1777 р. Пан Лавуазьє дійшов подібного висновку завдяки своїй загальній теорії утворення газів і парів. Згідно з цією теорією, газ кисню, зв’язане повітря та загалом усі гази та пари зумовлені великою кількістю тепла, що поєднується з ними через їхній газовий стан. Зокрема, кисневий газ, здається, містить велику кількість тепла; майже весь він виділяє при прожарюванні металів і сірки, фосфору тощо. при згорянні він згоряє до твердого стану, але значна частина залишається у зв’язаному повітрі.
Поглинання газу кисню в азотному повітрі [оксид азоту] є винятком із загальної теорії реакцій кисню: в цій реакції утворюється дуже мало тепла, незрівнянно менше, ніж коли фосфор поглинає подібний об'єм кисню. Отже, в азотній кислоті і, отже, в азотній кислоті ми повинні приймати велику кількість зв’язаного тепла, яке повинно повністю з’явитися при вибуху цього матеріалу; експеримент показує саме це.
Для уточнення змін газоподібного кисню, викликаних диханням тварин, описаний раніше апарат B скляну банку заповнили цим газом і в неї помістили різних морських свинок. . В одному з експериментів дзвін містив 248,01 кубічних дюймів газу кисню до того, як було введено морську свинку. Тварина залишалася в приміщенні протягом 1 1/4 години. Його вводили через ртуть у скляну оболонку і видаляли таким же чином. Після охолодження повітря дзвона до кімнатної температури його обсяг трохи зменшився до 240,25 кубічних дюймів. Врешті-решт, зв’язане повітря поглиналось лугом, залишаючи у витяжці 200,56 кубічних дюймів повітря. В експерименті було утворено 46,62 кубічних дюймів модифікованого кисневого газу та 37,96 кубічних дюймів зв'язаного повітря, беручи до уваги невелику кількість пов'язаного повітря, що міститься в кисні в дзвоні. Якщо обсяг модифікованого кисневого газу вважати одиницею, то обсяг зменшується на 0,814 через дихання. Коли вугілля згоріло, обсяг газу зменшився на 1: 0,74828. Ця різниця може бути частково пов’язана з похибками вимірювань, але також може впливати фактор, про який ми спочатку не думали, і який варто зауважити тим, хто хоче повторити експерименти.
Рівень ртуті в скляному дзвоні підняли трохи вище зовнішнього рівня ртуті, щоб зробити дзвін більш стійким. Коли тварину завантажували або вивантажували, було помічено, що невелика кількість зовнішнього повітря також проникала вздовж тіла тварини, хоча морська свинка була частково занурена в ртуть. Ртуть не настільки щільно прилягає до поверхні волосся, що повністю запобігає контакту зовнішнього повітря з повітрям у скляній оболонці, тому дихання, здається, зменшує кількість газу менше, ніж насправді.
Вага зв’язаного повітря, отриманого в попередньому експерименті, становила 26 572 гранули, що означає, що за 10 годин утворилося б 212 576 гранул зв’язаного повітря.
На початку експерименту тварина вдихала набагато чистіше повітря, ніж атмосферне, і виробляла, можливо, набагато більше зв’язаного повітря за той самий проміжок часу; але в кінці експерименту було важко дихати, оскільки через вагу зв’язаного повітря воно опустилося в нижню частину скляної оболонки, де знаходилась тварина, і витіснило кисень, що піднімався у верхню частину дзвін, можливо ускладнює дихання.зв'язане повітря також шкідливий для тварин. Тому ми не робимо великої помилки, припускаючи, що в результаті експерименту було отримано таку ж кількість зв'язаного повітря, як якщо б тварина вдихала атмосферне повітря, доброта якого приблизно дорівнює середньому значення доброти повітря на початку і в кінці експериментуйте внизу дзвона.
Потім ми безпосередньо визначили, скільки тепла виробляє морська свинка, коли вона вдихає атмосферне повітря. Одну з тварин помістили під великий дзвін, через який пропускали повітряний потік. Після стиснення у дуже підходящому апараті повітря вводився у дзвін через скляну трубку і виводився через іншу зігнуту трубку, увігнута частина якої була занурена в ртуть, а нижня частина якої закінчувалася пляшкою, наповненою лугом . Потім повітря також проходило через третю трубку, яка закінчувалася пляшкою, наповненою другою лугом, і звідти втікала в атмосферу. Зв’язане повітря, що утворюється у тварині, що перебуває в клітині, значною мірою поглиналося лугом першої пляшки, а решта - лугами другої пляшки. Збільшення ваги пляшок дало кількість поглиненого зв’язаного повітря. Через три години вага першої пляшки збільшився на 63, а другої - на 8 гранул, так що вага двох пляшок збільшився загалом на 71 гранулу. Якщо припустити, що зв’язане повітря надходило лише від дихання тварини, то за 10 годин утворилося б 236 667 гранул, що лише на одну дев’яту відрізнялося від результатів попереднього експерименту. Ця різниця може бути обумовлена різницею у розмірах, силі та стані тварин під час експерименту.
Якби пари, що утворюються під час дихання, які несли повітряний потік, конденсувалися в пляшках, збільшення ваги лугу не дало б кількості зв’язаного повітря, що утворюється у тварини. Щоб уникнути цього стану, використовували зігнуту трубку, увігнуту частину якої занурювали в ртуть. Пари від дихання конденсуються в цій частині трубки і накопичуються в кривизні. Таким чином, газ, що надходить у першу пляшку, був помітно вільним від них, оскільки ділянка трубки, що входить у пляшку, залишався прозорим. Отже, можна припустити, що навіть якщо вага пляшки збільшувався цими парами, збільшення компенсувалось випаровуванням вмісту води лугу, заповненого в пляшці. Ми також могли побоюватися, що частина поглиненого пов'язаного повітря надходить із атмосферного повітря. Для уточнення цього експеримент повторили без морської свинки. При цьому вага пляшок не збільшувався. Другий навіть зменшився на 4–5 гранул, що, безсумнівно, було спричинено випаровуванням вмісту води у розчині лугу.
У третьому експерименті морську свинку утримували в газі кисню, і в результаті за 10 годин утворилося 226 гранул зв’язаного повітря.
На підставі вищезазначених експериментів та деяких інших подібних експериментів на тваринах з киснем та атмосферним повітрям ми підрахували, що морська свинка, за допомогою якої проводили калориметричні вимірювання для визначення тепла тварин, виробляє 224 гранули зв’язаного повітря за 10 годин. .
Описані експерименти суперечать результатам панів Шеєле та Прістлі щодо змін газоподібного кисню при вивченні дихання тварин. На думку цих двох видатних вчених, дихання виробляє дуже мало зв’язаного повітря і велику кількість поганого повітря, про що писав останній флогістичний називається повітря [азот]. Але коли в кількох експериментах ми з максимальною обережністю вивчали, як дихання птахів та морських свинок впливає на газоподібний кисень, ми завжди приходили до висновку, що найважливішою зміною дихання тварин є перетворення цього газу у зв’язане повітря. .
Вище ми бачили, що при спалюванні вугілля одна унція зв’язаного повітря може розплавити 26 692 унції льоду. Виходячи з цього результату, ми отримуємо, що 224 гранули повинні плавитися 10,38 унцій, коли утворюється зв’язане повітря. Таким чином, кількість розтопленого льоду відображає тепло, яке виробляється диханням морської свинки за 10 годин.
При дослідженні тваринного тепла морської свинки температура тварини в кінці експерименту була майже такою ж, як і на початку; адже ми знаємо, що температура тіла тварин завжди майже однакова. Без постійного відтворення цього тепла початкова кількість тепла поступово розсіювалася б, і тварина холодно виводилася б з калориметра, як і всі неживі тіла в наших експериментах. Однак життєва функція постійно відтворювала тепло, яке тварина передавала своєму оточенню, яке в наших експериментах також досягало льоду, розміщеного всередині, танучи 13 унцій за 10 годин. Отже, кількість розтопленого льоду представляє приблизно тепло, яке життя морської свинки відновлює за той самий проміжок часу. Можливо, нам доведеться зменшити значення на 1-2 унції або навіть більше, оскільки кінцівки тварини охололи в калориметрі, хоча внутрішня частина його тіла майже підтримувала свою температуру. З іншого боку, рідини в організмі, які випаровуються внаслідок внутрішнього тепла, під час охолодження розтопили трохи льоду і залишилися разом з водою, що витікає з обладнання.
Якщо цю кількість льоду зменшити приблизно на 2 1/2 унції, ми отримаємо, скільки льоду тане газ, перетворений диханням тварини. Якщо взяти до уваги неминучі експериментальні помилки та припущення, використані при розрахунках, то виявиться, що ми не можемо очікувати більш досконалого збігу результатів. Таким чином, тепло може бути основною причиною утримання тепла у тварин, яке утворюється при перетворенні кисню у зв’язане повітря під час дихання, і якщо інші фактори сприяють утриманню тепла, їх вплив незначний.
Отже, дихання - це опік, нехай і дуже повільний, але цілком схожий на горіння вугілля. Це відбувається в легенях, без видимого світла, оскільки виділене паливо відразу поглинається вологою в легенях. Тепло, що утворюється під час горіння, передається крові, яка тече через легені і звідти поширюється по тілу тварини. Отже, вдихуване повітря також служить двом цілям, однаково важливим для підтримання життя: воно видаляє з крові основу зв’язаного повітря, надлишок якого був би дуже шкідливим, а тепло реакції, яке надходить у легені, постійно поповнює тепло, яке ми віддаємо до атмосфери та навколишніх тіл.