Hõ és energia
Részletek Simonyi Károly A fizika kultúrtörténete címû könyvébôl

A hômérô

Filozófia az egyik oldalon, technika a másik oldalon: ezzel a támogatással jutott el a XIX. század a fizika legfundamentálisabb, a relativitáselmélet és a kvantummechanika által okozott megrázkódtatásokból is megerôsödve kikerülô törvényéhez, az energiamegmaradás törvényéhez. A romantikus természetfilozófia felébresztette a fizikusokban az igényt, hogy a sokszínû jelenségek kapcsolatában, egymásba alakulásában a közöset, az állandót keresse, a technika viszont választ követelôen felvetette az erôgépek hatásfokának kérdését. Az sem véletlen, hogy a hô mibenlétérôl alkotott felfogás fejlôdése szoros kapcsolatban állt az energiafogalom kialakulásával: az eleven erô ma úgy mondjuk, mozgási energia fontos szerepét már a XVII. század végén sejtették; zavaró volt azonban, hogy rugalmatlan ütközésnél vagy a súrlódás következtében ez az eleven erô eltûnik. LEIBNIZ már határozottan megfogalmazta: átalakul az anyagot alkotó részecskék eleven erejévé. Az energiamegmaradáshoz vezetô fôvonal tehát a hô mibenlétének kérdésköréhez kapcsolódik.

Természetesen fontos szerep jut ... a fizika többi területén halmozódó részismereteknek is, mint amilyen a villamosjelenségek és hôjelenségek kapcsolata, a kémiai reakcióknál fellépô hôfejlôdés, valamint a villamos és kémiai jelenségek közötti összefüggés.

Azt várnánk, hogy a hô mibenlétérôl alkotott felfogás közvetlenül a XVII. század végén már általánosan elterjedt elképzelésbôl vagyis abból az elképzelésbôl, hogy a hô a test részecskéinek mozgásából áll indul ki, és közvetlenül vezet el a két energiaforma, a mozgási és hôenergia közötti kapcsolathoz. Nem így történt. Elsô pillanatra meglepônek látszik, és úgy tûnik, hogy a fizika egy teljesen felesleges vargabetût írt le akkor, amikor elhagyva a hô kinetikus elméletét, a "caloricum", a hôanyag elméletét teszi magáévá. Ezen szemléletünk eredménye az, hogy megfeledkezünk olyan nevekrôl, mint JOSEPH BLACK, akinek pedig a hôtan alapvetô kvantitatív fogalmait hômennyiség, fajhô, latens hô, olvadáshô, párolgási hô köszönhetjük, de elfeledkezünk arról is, hogy CARNOT és FOURIER ma is alapvetônek tekintett és tanított hôtani eredményei is a caloricumelmélet alapján születtek.

Rögtön hozzá kell tennünk, hogy az akkori idôk legmagasabb matematikai apparátusával megfogalmazott tételek egyúttal akadályozták is a kvalitatív elképzelésekbôl a kvantitatív elképzelések felé csetlô-botló kinetikus elmélet kifejlôdését. A kitérés, a vargabetû szükséges volt: csak ezen keresztül lehetett olyan kvantitatív fogalmakat bevezetni, amelyek megmérésével a legegyszerûbb törvényszerûségeket fel lehetett állítani.
 
A Galilei nevéhez fûzõdõ
barotermoszkóp: méri a
hõmérsékletet, de a lég-
nyomásváltozást is bele-
méri

Már a középkorban világosan látták, hogy a hôvel kapcsolatban két, alapvetôen különbözô mennyiséget kell megkülönböztetni: az egyik egy intenzitás, a másik egy kvantitás jellegû mennyiség. Mindezt természetesen igen homályosan fogalmazták meg. Érezték, hogy a láng valahogyan nagyobb hõintenzitással rendelkezik, mint egy meleg vasdarab: ugyanakkor a vasdarabban több a meleg kvantitása, mint a lángban. Ma azt mondjuk, hogy az elôzô a hômérséklettel, az utóbbi pedig a hôtartalommal van közvetlen kapcsolatban.

A mérést az tette lehetôvé, hogy közben a XVII. században kifejlesztették a hôtan legfontosabb mérôeszközét, a hômérôt. Említettük..., hogy már Alexandriában is ismerték és felhasználták azt a tényt, hogy a levegô melegítés hatására kitágul; hômérséklet mérésére azonban csak a XVII. század elején használták fel. A [bal oldali] ábrán láthatjuk azt a berendezést, amelynek konstruálása GALILEI nevéhez fûzôdik, jóllehet ô maga errôl részletesen nem beszél; ezt a berendezést barotermoszkópnak is szokás nevezni, mert szemmel láthatóan a mutató állása függ a levegô nyomásától is. Az elsô leforrasztott alkoholos hômérô II. FERDINÁND toszkán herceg nevéhez fûzôdik. A firenzei Accademia del Cimento (16571667) égisze alatt a legváltozatosabb üvegtechnikai remekmûvek születtek: a skálákat különbözô színû üveggyöngyök jelezték. Külön érdemes megemlíteni [a következõ] hômérôt: egy leforrasztott ampullában alkohol van, amelyben kis, belül üres üveggömböcskék vannak. Ezek súlyát úgy állítják be, hogy amint a hômérséklet emelkedésével az alkohol sûrûsége csökken, ezen üveggömböcskék egymás után mindegyik más-más hômérsékletnél leszállnak az edény aljára.

A XVIII. század nem hozott érdemi újítást a hômérô szerkezetében. Viszont egyértelmûvé tette a hômérsékletmérést azáltal, hogy reprodukálható módon rögzítette a hômérsékleti skálát, bevezetve két könnyen megvalósítható jelenséghez tartozó hômérséklet skálaértékét. Ezek közül nálunk legismertebb és egyedül használatos az ANDERS CELSIUS (17011744) svéd asztronómus által bevezetett hômérsékleti skála, amelynek 0 pontját a jég olvadáspontja határozza meg. A másik fix pont a víz forráspontja, amelyhez a 100 oC értéket rendeljük. ...
 

A caloricum mint elôremutató elmélet: Joseph Black

A hômérô tette lehetôvé, hogy a hôtan alaptörvényeit kvantitatív formába lehessen öltöztetni. Ezt tette JOSEPH BLACK (17281799).

BLACK elôször Glasgow-ban (17561766), majd Edinburghben (1766-tól haláláig) volt a kémia és az orvostudományok professzora. A hôre vonatkozó legfontosabb felfedezései glasgow-i tevékenységének idejére esnek. BLACK maga nem írt könyvet. Elméletét elsôsorban tanítványának, ROBINSONnak könyvébôl ismerjük, aki 1803-ban könyv alakban megjelentette BLACK elôadásait. Érdekes módon ROBINSON ezt a könyvet JAMES WATTnak dedikálja, mint BLACK legtehetségesebb és legismertebb tanítványának.

Hogy mennyire nem volt még tisztázott a hômérséklet és hômennyiség fogalma BLACK idejében, kitûnik a könyvbôl vett idézetbôl:

És így el kell fogadnunk a hô legáltalánosabb törvényeinek egyikéül azt az elvet, hogy mindazon testek, amelyek szabadon hathatnak egymásra, és semmi külsô egyenetlenséget kiváltó ok nincs, azonos hômérsékletet vesznek fel ... Ez az, amit általában "egyenlô hô" vagy "a hô egyenlôsége a különbözô testek között" névvel illetnek, én viszont a hô egyensúlyának nevezem.

Ezen egyensúly természete nem volt érthetõ mindaddig, míg én módszert nem adtam vizsgálatára. Dr. Boerhaave úgy képzelte, hogy ilyenkor a tér egyforma köbtartalmában egyforma hô is van, bárhogy is legyen az kitöltve különbözô testekkel; Musschenbroek professzor Physica címû könyvében hasonló véleményt hangoztat. Ezen véleményüket azzal indokolják, hogy bármelyik testhez is érintsék a hõmérôt, az azonos értéket mutat. De ez nagyon elhamarkodott vélemény. Összezavarja ugyanis a különbözô testekben levô hô mennyiségét annak intenzitásával (a hômérséklettel), jóllehet világos, hogy ez két különbözô dolog.

BLACK-ROBISON: Lectures ...
BLACK mérésekkel is pontosan megállapította azt a már addig is ismert tényt, hogy az egymással kapcsolatba kerülô testek igyekeznek azonos hômérsékletet felvenni. Ezt eddig úgy értelmezték, hogy a hô oszlik el azonos módon a különbözô testek között. BLACK igen találóan ezt az állapotot a testek hôegyensúlyának nevezte, és leszögezte, hogy azok, akik a hôegyenlôségrôl beszélnek, két élesen megkülönböztetett dolgot, a hõmérsékletet és a hômennyiséget zavarják össze.

Bevezeti a fajhô fogalmát, azaz megvizsgálja, hogy mekkora hômennyiség szükséges ahhoz, hogy különbözô testek azonos tömegû darabját azonos hôfokkal emelje. Megcáfolja azt az általánosan elterjedt nézetet, hogy ez a hô azonos térfogatú testek esetén azok tömegével, más szóval azok sûrûségével arányos. BLACK ezen méréseiben komoly ellenérvet lát a kinetikus elmélettel szemben: a kinetikus elméletbôl valóban az következnék legalábbis elsô pillanatra , hogy minél több vagy nehezebb anyagrészecske mozog, annál nagyobb lesz azok eleven ereje. BLACK hozzáteszi: "Nemigen látok lehetôséget ezen érv kivédésére." Valóban, erre a kérdésre a kinetikus elmélet csak 100 év múlva tud felelni az ekviparticiótétel segítségével.

Korábban az volt a szokásos feltételezés, hogy az a hômennyiség, amely ahhoz szükséges, hogy a különbözô testek hômérsékletét ugyanazon számú fokkal emelje, egyenes arányban van a testekben levô anyagmennyiséggel; és így, ha a testek egyforma térfogatúak voltak, ez a hômennyiség arányos a sûrûséggel. De nagyon hamar azután, hogy én elkezdtem ezen a dolgon töprengeni (anno 1760), észrevettem, hogy ez a vélemény téves, hogy ezek a mennyiségek nem arányosak a hômennyiséggel, hanem attól nagyon is eltérô arányúak, és amelyek számára semmiféle általános elv vagy magyarázat jelenleg nem adható.
BLACK-ROBISON: Lectures . . .
A latens hôre vonatkozó elmefuttatása annyira világos és meggyôzô, hogy akár egy mai középiskolai fizikakönyvben helyet kaphatna:
A tények és jelenségek gondos megfigyelése alapján a következõ véleményt alakítottam ki. Ha a jég vagy bármely más szilárd anyag megolvad, véleményem szerint sokkal nagyobb hômennyiséget vesz fel, mint amennyit rögtön utána egy hômérô segítségével érzékelhetünk. Ilyenkor igen nagy hômennyiség lép be az anyagba anélkül, hogy azt szembetûnôen melegebbé tenné, ha ilyen mûszerrel próbálkozunk. Ezt a hôt azért kell szolgáltatnunk, hogy az a szilárd testet folyadékká alakítsa át; azt állítom, hogy ez a hô a létrehozott olvadás fô és legközvetlenebb oka ...

Ha érzékeljük, hogy amit hônek nevezünk, eltûnik az olvadáskor és újból megjelenik a víz megfagyásakor, valamint más hasonló jelenségeket figyelünk meg, aligha kerülhetjük el azt a következtetést, hogy a hô szubsztancia, amely a víz részecskéivel éppúgy egyesülhet, mint például a glaubersó részecskéi egyesülnek velük az oldatban, és el is választhatók tôlük, mint ez utóbbiak. De, minthogy a hõt még sohasem sikerült külön állapotában megfigyelni, ezen egyesülésre vonatkozó megjegyzésünk teljesen hipotetikus ...

Kiváló szellemû emberek sok nézetet nyilvánítottak és sokat spekuláltak a hõ és test egyesülésérôl. De minthogy mindegyik csak feltételezés, méghozzá nagyon bonyolult feltételezés hipotetikus alkalmazása egy másik  hipotézisnek , nem remélhetek sok hasznos információt attól, ha kitartok mellette. A feltételek ügyes megválasztásával többé-kevésbé bármelyik hipotézist össze lehet egyeztetni a jelenségekkel. Ez tetszhet a képzeletünknek, de nem viszi elôre a tudományt ...

BLACK-ROBISON: Lectures . . .
Végkövetkeztetését, nevezetesen azt, hogy a hô szubsztancia, ma már nem fogadjuk el. Bámulatra méltó azonban az óvatossága, ahogy ezt a hipotézist kijelenti. A vérbeli kísérleti fizikus beszél azonban a befejezô sorokban, amellyel a túl nagy fantáziával alkotott hipotézisek gyakorlati használhatatlanságára utal.

Milyennek is képzelte BLACK, vagy kortársa, a nagy kémikus, LAVOISIER ezt a caloricaumot vagy hôszubsztanciát? BLACK maga CLEGHORNra hivatkozik, aki 1779-ben így foglalta össze ezen tulajdonságokat:

A caloricum olyan rugalmas folyadék, fluidum, amelynek egyes részei egymást taszítják, ugyanakkor a közönséges vagy ponderábilis anyag részei vonzzák ôket az anyag minôségétôl és a halmazállapottól függô módon.

Ez a fluidum nem semmisíthetô meg és nem is teremthetô, tehát rá ugyanaz a megmaradási törvény vonatkozik, mint a ponderábilis anyagra.

A ponderábilis anyagban a caloricum jelen lehet érzékelhetô módon és latens módon is. Ilyenkor a hôszubsztancia mintegy kémiai vegyületet képez a ponderábilis anyaggal.

A hôszubsztancia súlyára vonatkozóan a vélemények megoszlottak. Sokan méréssel igyekeztek eldönteni a kérdést. Elképzelhetjük az ilyen típusú mérések elvégzésénél fellépô nehézségeket. A mérleg egyik serpenyôjébe helyezett, és egy, a másik serpenyôbe tett súllyal kiegyensúlyozott testet magas hômérsékletre kellett hevíteni. Gondoljunk csak az itt fellépô számtalan hibaforrás lehetôségére. Ezek a mérések azt látszottak bizonyítani, hogy a caloricumnak van súlya, bár ez igen kicsi a test összsúlyához képest. Voltak olyan mérések, amelyek alapján a caloricumnak negatív súlyt kellett volna tulajdonítani. A súly nélküli szubsztancia imponderábilia fogalma sem okozott volna különösebb nehézséget. Mind a fény, mind az elektromos fluidum esetében ezt már megszokták.
 

És mégis mozgás a hô: Rumford

Ezen a vonalon vette fel a harcot a szubsztanciaelmélet ellen BENJAMIN THOMPSON, vagy más néven RUMFORD gróf (17531814). RUMFORD kalandos élete folyamán igen sokféle tevékenységet folytatott és tudományos eredményein kívül az élet egyéb területein is maradandó nyomokat hagyott. Így 1800-ban ô alapította Angliában a Royal Institutiont, amelynek elsô igazgatója DAVY lett, de igazi hírnevét FARADAY munkássága alapozta meg. RUMFORD tudományos tevékenysége Münchenhez fûzôdik, ahol mint a bajor király tanácsadója, majd a katonai arzenál vezetôje tevékenykedett. Szociális intézményeket hozott létre, államilag szervezett munkalehetôségeket bíztosított, s nevét még ma is ôrzi a Rumford-leves.

RUMFORD elôször is azt a feladatot tûzte ki magának, hogy ellenôrzi és tökéletesíti a hôszubsztancia súlyára vonatkozó méréseket. Rájött arra, hogy a latens hô igen alkalmas a mérés elvégzésére, mert ilyenkor, például a jég olvadásakor vagy a víz megfagyásakor igen nagy hômennyiség nyelôdik el vagy szabadul fel anélkül, hogy a hômérséklet megváltozna. Így tehát ki lehet küszöbölni a hômérséklet-különbségbôl adódó hibaforrásokat. RUMFORD legnagyobb gonddal végzett kísérletei, amelyekben még azt a lehetôséget is megvizsgálta, hogy a kis hômérséklet-különbség hatására a mérleg karjai nem változnak-e különbözô módon, egyértelmûen bebizonyították, hogy a hôszubsztancia súlya ha van egyáltalán mérhetetlenül kicsi. RUMFORD megadja a mérési pontosságot is: a test összsúlyának egymilliomod résznyi változását már észlelni tudta volna. ...  RUMFORD ... óvatosan céloz arra, hogy az eredmény szinte magától értetôdô, ha a hôt nem szubsztanciának, hanem mozgásnak tekintjük. A szubsztanciaelmélet legsebezhetôbb pontja az volt, hogy nem tudott megnyugtató módon számot adni a hô súrlódás útján való létrehozásáról. Ehhez fel kellett tételezni, hogy a testet dörzsölés útján olyan állapotba hozza, amelynek következtében a hôkapacitása lecsökken. Így természetes, hogy a benne változatlan mennyiségben jelenlevô hôszubsztancia magasabb hõmérsékletre emeli azL. RUMFORD ezen elméletnek vélt halálos döfést adni akkor, amikor részletesen megvizsgálta az ágyúcsövek kifúrásánál fellépô hôviszonyokat. Elôször is megállapította, hogy a fúráskor leváló fémdarabkák fajhôje egyáltalán nem változik. Másrészt leszögezte azt a tényt is, hogy egy meghatározott anyagdarabból, ha azt dörzsöléssel állandóan melegen tartjuk, az idôvel arányos hôt lehet elvezetni; más szóval annyi hôt tudunk belôle kivonni, amennyi nekünk tetszik. Ebbôl RUMFORD most már határozottan levonja a végkövetkeztetést: a hô nem lehet szubsztancia, mert akkor egy testbôl nem vonhatnánk ki korlátlan mennyiséget. A hô nem lehet más, mint mozgás, amely a mechanikai súrlódás következtében folyamatosan jön létre, és ilyen módon addig vonhatunk ki egy testbôl hôt, amíg a mechanikai munkával ezt a hôt elôállítjuk. A RUMFORD cikkébôl vett ...  idézet azt mutatja, hogy RUMFORD nagyon közel járt a mechanikai és hôenergia azonosságának felismeréséhez; mérései eredményeibõl utólag ki lehet olvasni a késôbbiekben oly nagy szerepet játszó ekvivalencia értékét is. ...

RUMFORD érveit ma a kinetikus elmélet teljes gyôzelmének ismeretében döntônek érezzük. Nem így volt az a XIX. század elején. RUMFORD kísérleti tényeit elfogadták ugyan, de megmagyarázták a hôszubsztancia alapján is. Például azt a tényt, hogy egy testbôl kimeríthetetlen mennyiségben lehet szubsztanciát kivenni, úgy értelmezték, hogy ilyenkor a test csak közvetítõ, és a valóságban a hôszubsztancia a környezetbôl áramlik a testbe, a környezet pedig gyakorlatilag valóban kimeríthetetlen tartalékkal rendelkezik.

Természetesen megvoltak a kinetikus elméletnek is a maga nehézségei: jelenségek, amelyekrôl nemcsak kvantitatíve, de még kvalitatíve sem tudott számot adni.

Az alábbi sémában összefoglaljuk a legfontosabb jelenségeket, valamint azt, hogy melyik jelenségcsoportra tud a hôszubsztancia, illetôleg a kinetikus elmélet meggyôzôbb választ adni.
 

  hõáramlás hõsusugárzás rejtett hõ súrlódási hõ kvantitatív tárgyalás
lehetõsége
hõszubsztancia igen igen igen nem  igen
kinetikus elmélet igen nem nem igen nem

Ehhez a táblázathoz még azt is hozzá kell tennünk, hogy amíg a hôszubsztancia áramlása igen egyszerû analógiába állítható a folyadékáramlással, addig a kinetikus elmélet csak igen nehezen teszi érzékelhetôvé ezt az áramlási folyamatot. Ehhez az ütközési törvények statisztikus jellegének ismeretére lett volna szükség. Ennek ellenére a táblázatban úgy tüntettük fel, hogy végül is a kinetikus elmélet meg tud birkózni ezzel a feladattal. A hôsugárzást, vagyis a hô átvitelét akár vákuumon keresztül is a caloricumelmélet igen egyszerûen meg tudja magyarázni: az imponderábilis hôszubsztancia áramlik ilyenkor a vákuumon keresztül. A kinetikus elmélet számára ez megoldhatatlan probléma. Természetesen mai felfogásunk szerint is ilyenkor a hô elektromágneses sugárzás alakjában, tehát egy, a megszokott anyagi mozgástól eltérô mozgásformán keresztül jut egyik testrôl a másikra.

A fenti táblázat alapján megérthetjük, hogy a tudósok nagy többsége a XIX. század elsô évtizedeiben, ha nem is teljes meggyôzôdéssel, de mint használható munkahipotézist, a szubsztanciaelméletet fogadta el.


Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete, 3., átdolgozott kiadás, Gondolat Kiadó, Budapest, 1986, 335339. o.



Vissza