Benjamin Thompson
(Rumford grófja)
(17531814)

Rumford ágyúfúrási kísérlete

Philosophical Transactions (vol. 88), 1798

(A ChemTeam gyûjteményében megjelent cikkrészlet alapján)


Gyakran elôfordul, hogy a mindennapi mesterségek gyakorlása alkalmat ad a természet néhány különös hatása fölötti elmélkedésre, és sokszor nagyon érdekes filozófiai [fizikai] kísérletekre kerülhet sor különösebb erôfeszítések és költségek nélkül azokkal a szerkezetekkel, amelyeket csupán a mesterségek közönséges céljaira szántak.

Többször alkalmam nyílt erre a megfigyelésre, s meg vagyok gyôzôdve, hogy az élet mindennapos dolgainak figyelmes szemlélése, akár véletlenül is, vagy az a könnyed, képzeletbeli kirándulás, amelyet a leghétköznapibb jelenségeken való elmélkedés indít el, gyakrabban vezet a kifejezetten vizsgálódásra szánt órákhoz, mint a filozófusok még oly elmélyült töprengése.

A véletlen indított azokra a kísérletekre, amelyekrôl be fogok számolni, s bár nem olyan fontosak talán, hogy szabályos bevezetô kívánkozna eléjük, azzal hízelgek magamnak, hogy néhány szempontból különösnek találják majd ôket, és rászolgálnak a Royal Society figyelmére.

Az utóbbi idôben a müncheni arzenál mûhelyeiben felügyeltem az ágyúfúrást. Igen meglepett az az igen jelentôs hô, amelyre a bronzágyú rövid idô alatt szert tesz fúrás közben és az a még nagyobb hô (sokkal nagyobb, mint a forrásban lévô vízé, amint kísérlettel megállapítottam), amely a fúráskor leváló fémforgácsokon tapasztalható.

Minél többet gondolkoztam ezeken a jelenségeken, annál különösebbeknek és érdekesebbeknek látszottak. Úgy tûnt, hogy alapos vizsgálatuk a hô rejtett természetébe való mélyebb bepillantással kecsegtet, és tisztábban láthatunk általuk a tüzes fluidum létezésének kérdésében. Errôl a tárgyról a filozófusok véleménye minden korban erôsen megoszlott.

...

Honnan származik az a hô, amelyet a fent említett mûvelet hoz létre?

Talán azoktól a fémforgácsoktól, amelyeket a fúró a fémtömegrôl leválaszt?

Ha ez lenne a helyzet, akkor a látens hô vagy hôanyag [ez a korábban említett fluidum] modern elméletei szerint a leforgácsolt fémdarabkák hôvel szemben mutatott kapacitásának nemcsak meg kellene változnia, hanem a változásnak akkorának kellene lennie, hogy az összes keletkezô hôrôl számot adjon.

Ilyen változás azonban nem ment végbe. Ezekbôl a forgácsokból és ugyanannak a fémtömbnek finom fûrésszel levágott vékony lapjaiból ugyanis súly szerint azonos mennyiségeket ugyanolyan hômérsékletre melegítettem (a forró víz hômérsékletére) és azonos mennyiségû hideg (azaz 59 1/2 oF fokos) vízbe helyeztem. Az a víz, amelybe a forgács került, se erôsebben, se gyengébben nem melegedett fel, mint az, amelyikbe a lapokat tettem.

A kísérletet többször megismételtem. Az eredmények annyira egyeztek, hogy nem tudtam megállapítani, történt-e változás vagy milyen változás történt a fém hôvel szembeni kapacitásában attól, hogy a fúró forgácsokká aprította a fémet.

Ebbôl nyilvánvaló, hogy a hôképzôdés valószínûleg nem a fémforgácsok látens hôjének számlájára írható. De nem akartam megelégedni ezekkel a nyomokkal, bármilyen perdöntônek tûntek is, ezért a következô, még többet bizonyító kísérlethez folyamodtam:

Egy (hatfontos) öntött bronzágyút úgy, ahogy kijött az öntödébôl, (vízszintesen) rögzítettünk a fúrásra használt gépben. Amikor az ágyú külsejét leesztergálták, levágattam a végét, és a megmaradt rész esztergálásával 7 3/4 hüvelyk átmérôjû, 9 8/10 hüvelyk hosszú, tömör fémhengert kaptunk.

A rövid hengert vízszintesen, tengelye körül elforgatható helyzetben tartotta a csôtorkolat, amely továbbra is összekötötte az ágyúval. A hengert az ágyúfúráshoz használt vízszintes fúróval fúrtuk.

A henger kifejezetten arra szolgált, hogy súrlódással hôt termeljünk. Egy tompa fúrót a végének nyomtunk, miközben lovak forgatták a tengelye körül. Hogy a hengerben felgyülemlett hôt idôrôl idôre megmérhessük, egy 0,37 hüvelyk átmérôjû, 4,3 hüvelyk mély lyukat vágtunk bele, amelybe egy kis, henger alakú, higanyos hômérôt helyeztünk.

A kísérletnek az volt a célja, hogy megállapítsuk, mennyi hô képzôdik a súrlódás hatására; a tompa acélfúrót olyan erôsen toltuk (erôs sróffal) a hengerben levô lyuk fenekéhez, hogy a kifejtett nyomás körülbelül megfelelt 10 000 fontnak. A hengert körülbelül harminckétszer forgattuk meg percenként a tengelye körül (lovak erejével). ...

A hengert mindenütt alaposan beburkoltuk vastag, meleg flanellel és minden oldalát védtük a hideg légköri levegôtôl, hogy amennyire csak lehet, semmit se veszítsünk el a kísérletben keltett hôbôl.

A kísérlet kezdetén a levegô és a henger hômérséklete pontosan 60 oF volt.

Harminc perccel késôbb, amikor a henger 960 fordulatot tett meg a tengelye körül, megállítottuk a lovakat, és egy henger alakú higanyos hômérôt helyeztünk a henger oldalán készített lyukba. A hômérô higanytartálya 32/100 hüvelyk átmérôjû, 3 1/4 hüvelyk hosszú volt. A higany szinte azonnal 130 oF-re emelkedett. ...

Oly sok okot találván arra, hogy a kísérletben keletkezô, vagy ahogy inkább mondanám, a kísérletben gerjesztett hô nem a fém látens hôjének vagy hôanyagának rovására képzôdött, egy lépéssel továbbmentem, hogy megnézzem, hozzájárult-e valamivel a levegô a hô keletkezéséhez. ...

Mikor minden készen állt, hozzáfogtam a következôképpen elôkészített kísérlethez:

Kitisztítottuk az üreges hengert, a furat belsejét addig töröltük tiszta törlôvel, amíg teljesen száraz nem lett. A négyszögletes vasrudat végén a tompa acélfúróval belehelyeztük. A henger száját ugyanekkor henger alakú dugattyúval zártuk le; ennek közepén átnyúlt a vasrúd.

Ekkor helyére tettük a dobozt. A vasrúd egy része és a henger torkolata a dobozban volt. A dobozba hideg vizet töltöttünk (azaz 60 oF fokosat), és a gépet elindítottuk.

A gyönyörû kísérlet igen meglepô eredményt hozott, és ennek öröme bôségesen kárpótolt azért az erôfeszítésért, amellyel a bonyolult szerkezet tervezése és összeállítása járt.

Alig kezdte meg mozgását a henger, percenként mintegy harminckét fordulattal, amikor ujjamat a vízbe mártva és a henger külsejét megérintve éreztem, hogy hô fejlôdött. A hengert körülvevô víz nemsokára melegedni kezdett.

Egy óra múlva a hômérôt a vízbe helyeztem (a víz mennyisége 18,77 font volt), s kiderült, hogy hômérséklete nem kevesebb mint 47 fokkal nôtt, a hômérô 107 fokot mutatott a Fahrenheit-skálán.

Harminc perc múlva, vagyis a szerkezet elindítása után másfél órával, a víz hôfoka a dobozban 142 oF volt.

Két óra elteltével a víz hômérséklete 178 oF-re emelkedett.

Két óra húsz perc múlva 200 oF volt, és két óra harminc perc múlva a víz felforrt!

Nehéz lenne leírni a gép körül állók arcán tükrözôdô meglepetést és elképedést, amikor látták, hogy ilyen nagy mennyiségû hideg víz minden tûz nélkül felmelegszik, sôt felforr.

Bár valójában semmi meglepô nem történt, ôszintén be kell vallanom, hogy gyerekes örömöt éreztem, amelyet el kellene titkolnom, ha komoly filozófus hírére pályáznék.

A kísérletben gerjesztett és felgyülemlett hô igen jelentôs volt, mert nemcsak a dobozban lévô víz, hanem maga a (15 1/4 fontos) doboz, továbbá a vízbe merülô üreges fémhenger és vele a vasrúdnak az a része, amely a dobozban volt, 150 Fahrenheit-fokot melegedett, azaz 60 oF-ról (ez volt a kísérlet kezdetén a víz és a szerkezet fômérséklete) 210 F-re, arra a hôfokra, amelyen a víz Münchenben forr.

A képzôdött hô teljes mennyisége elég nagy pontossággal megbecsülhetô ...

Ezekbôl a számításokból úgy tûnik, hogy az a hômennyiség, amely egyenletesen vagy folytonos áramban (ha használhatom ezt a kifejezést) keletkezett a tompa acélfúró és az üreges fémhenger feneke közötti súrlódásból a szóban forgó kísérletben, nagyobb volt, mint ami kilenc darab, egyszerre égô, háromnegyed hüvelyk átmérôjû, tiszta, fényes lánggal világító viaszgyertya égésekor fejlôdik egyenletesen.

Minthogy a kísérletben használt szerkezetet könnyen körbeforgathatja egy ló ereje (bár a munka megkönnyítése érdekében két lovat használtunk), a számítások azt is mutatják, hogy milyen nagy mennyiségû hô állítható elô megfelelô mechanikai gépezettel, pusztán egy ló erejével, akár tûz, fény, égés, akár kémiai bomlás nélkül. Ez a hô szükség esetén étel fôzésére is használható.

Nem képzelhetôk el azonban olyan körülmények, amelyek között ez a hôfejlesztési mód elônytelen ne lenne, mert a ló fenntartására szolgáló abrakból, mint fûtôanyagból, több hô nyerhetô.

Ezen kísérletek eredményein tûnôdve természetesen elérkezünk ahhoz a nagy kérdéshez, amely oly gyakran merül fel a filozófusok fejtegetéseiben, nevezetesen:

Mi a hô? Létezik-e egyáltalán a tüzes fluidum? Létezik-e az, amit szabatosan hôanyagnak nevezhetünk?

Láttuk, hogy két fémes felület súrlódásakor igen jelentôs mennyiségû hô képzôdik és áramlik ki állandó áradatban, minden irányban, ismétlôdés és megszakítás nélkül, a csökkenés vagy a fokozódás minden jele nélkül.

Honnan származik az elôzô kísérletben folyamatosan leadott hô? Talán azoktól az összedörzsölt kis fémdaraboktól, amelyek a nagyobb, tömör anyagról váltak le? Láttuk, hogy ez nem valószínû.

A levegôtôl származik? Ez se lehet, hiszen a kísérletek során a szerkezetet vízbe merítettük, nem férhetetett hozzá a légköri levegô.

A szerkezetet körülvevô víztôl származik? Nyilvánvaló, hogy ez lehetetlen: elôször is azért, mert a víz folyamatosan hôt kapott a szerkezettôl, és egyszerre nem lehet ugyanannak a testnek hôt leadni és ugyanattól a testtôl hôt kapni. Másodszor, mert a vízben sehol sem játszódott le kémiai bomlás. Ha végbement volna ilyen bomlás (amelyet nem volt okunk feltételezni), a vizet alkotó egyik elasztikus fluidumnak [gáznak] (nagy valószínûséggel az éghetô levegônek [hidrogénnek]) ugyanakkor fel kellett volna szabadulnia, és a légkörbe távozván észlelhetô lett vona. Bár gyakran megnéztem, hogy nem emelkednek-e fel buborékok a vízben, s még elôkészületeket is tettem, hogy vizsgálatuk érdekében felfogjam ôket, ha megjelennének, egyet sem vettem észre. Semmilyen bomlás vagy egyéb kémiai folyamat semmilyen jelét nem észleltem a vízben.

Lehetséges, hogy a hôt az a vasrúd keltette, amelynek a végére a tompa acélfúrót erôsítettük? Vagy az a kis fémtorkolat, amely az üreges hengert kötötte össze az ágyúval? Ezek a feltevések még valószínûtlenebbeknek tûnnek, mint bármelyik az elôbb említett feltevések közül, mert a hô ezeken a részeken távozott el a szerkezetbôl a kísérlet teljes tartama alatt.

A jelenségen gondolkozván nem szabad elfeledkeznünk a legfontosabb körülményrôl, hogy a súrlódással keletkezô hô a kísérletekben kétségtelenül kimeríthetetlennek tûnt.

Szinte szükségtelen hozzátenni, hogy bármi, amit egy szigetelt test vagy testekbôl álló rendszer korlátlanul képes leadni, valósznûleg nem lehet anyagi szubsztancia: rendkívül nehéznek, ha nem teljesen lehetetlennek tûnik számomra, hogy bármirôl határozott fogalmat alkossak, amit úgy lehetne gerjeszteni és közölni, ahogy a hô keletkezett és terjedt ezekben a testekben; egyetlen kivétel létezik ez alól, a mozgás.


Vissza http://www.kfki.hu/chemonet/
http://www.ch.bme.hu/chemonet/