Przeskocz do treści

Delta mi!

Loading

Co to jest?

Ciepło i energia

Krzysztof Turzyński

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: wrzesień 2016
  • Publikacja elektroniczna: 1 września 2016
  • Wersja do druku [application/pdf]: (50 KB)

Chyba w żadnym innym dziale fizyki nie uzyskano tak doniosłych wyników opartych na błędnym wyobrażeniu o naturze świata jak przy badaniu zjawisk cieplnych...

W pierwszych dekadach XIX wieku powszechnie uznawano istnienie nieważkiego, przenikającego wszystko fluidu zwanego cieplikiem (łac. caloricum), w którym miały znajdować się pierwotne fragmenty materii. Zwiększanie się ilości cieplika miało prowadzić do rozszerzania ciał i zmian ich stanu skupienia (topnienie i wrzenie), a wrażenia zmysłowe ciepła i zimna miały być przejawem przepływów tego fluidu. Spekulowano także, czy światło i ciepło są przejawami różnych zjawisk fizycznych, czy też można je "zunifikować" jako przejawy różnego rodzaju ruchów tego samego cieplika.

obrazek

wikipedia

Sadi Carnot (1837-1894)

wikipedia

Sadi Carnot (1837-1894)

Argumenty teoretyczne na rzecz istnienia cieplika były eleganckie i przekonujące. Używając tego pojęcia, Siméon Denis Poisson wykazał w 1818 roku, że związek między zmianą ilości ciepła ∆ Q danej ilości gazu oraz zmianami jego objętości ∆V i ciśnienia ∆ p wyraża się wzorem

R⋅∆ Q

gdzie R jest stałą gazową, a CV i Cp | ciepłami właściwymi odpowiednio przy stałej objętości i stałym ciśnieniu. Jeśli te ostatnie nie zależą od temperatury, stwierdzamy, że całkowite ciepło Q | jest funkcją iloczynu  Cp~C |p⋅V V , a więc dla przemian adiabatycznych, gdzie nie ma przepływów ciepła, wielkość p ⋅VCp~CV jest stała, w zgodzie z doświadczeniem. Pierre Simon Laplace założył, że wspomniana funkcja jest liniowa i dla |C uzyskał zależność ciepła właściwego powietrza od ciśnienia, która doskonale zgadzała się z uzyskanymi w 1813 roku pomiarami Françoisa Delaroche'a i Jacques'a Bèrarda. Laplace stwierdził także, że można poprawić klasyczne rozumowanie Newtona, który w Principiach obliczył prędkość dźwięku, zakładając, że zaburzone cząstki powietrza doznają działania siły zależnej od wychylenia z położenia równowagi, ale uzyskane w ten sposób przewidywania były systematycznie mniejsze od mierzonej wielkości. Laplace dostrzegł, że właśnie uwzględnienie |C pozwala uzyskać zgodność z doświadczeniem.

Skonstruowanie i udoskonalanie maszyn parowych niewątpliwie stanowiło inspirację dla dwudziestoośmioletniego podporucznika saperów, Sadi Carnota, który w 1824 roku sformułował - posługując się oczywiście pojęciem cieplika - teorię maszyn cieplnych i udowodnił, że silnik termodynamiczny działa w sposób najbardziej efektywny, gdy przemiany cieplne zachodzą w nim w sposób odwracalny.

Pierwsze poglądy na naturę cieplika zakładały, że jest to fluid niezniszczalny, jednak później przekonanie to zaczęło słabnąć. Wielu uczonych wyrażało przekonanie o zachowaniu w przyrodzie pewnej ogólnej wielkości, której ciepło jest zaledwie jednym z przejawów. Sadi Carnot próbował wyznaczyć przelicznik ciepła na pracę mechaniczną, ale na zadowalająco dokładny wynik trzeba było jeszcze czekać kilkanaście lat. W 1843 roku James Joule podał ten uniwersalny przelicznik, a w roku 1847 ukazała się rozprawa Hermanna Helmholtza, w której jasno sformułował on zasadę zachowania energii i udokumentował jej słuszność w wielu działach fizyki. Gwoli ścisłości, należy wspomnieć, że mechaniczny równoważnik ciepła i sformułowanie zasady zachowania energii podał w 1842 roku, a więc przed Joulem i Helmholtzem, Robert Mayer. Jako lekarz miał jednak trudności w zapisaniu swoich wyników w sposób zrozumiały dla fizyków i jego praca pozostawała przez wiele lat niedostrzeżona.

Od tych pierwszych kroków dzieli nas ponad półtora stulecia. Jednym z najważniejszych późniejszych osiągnięć w próbach coraz to lepszego wyrażenia zasady zachowania energii było udowodnione w 1915 roku przez Emmy Noether twierdzenie o związku symetrii układów fizycznych z prawami zachowania. Przy założeniu, że prawa fizyki są niezmiennicze względem przesunięć w czasie, z twierdzenia tego wynika zachowanie wielkości, którą można utożsamić właśnie z energią. Wyjąwszy może krótki epizod z lat 30. XX wieku, kiedy to Niels Bohr postulował, że prawa zachowania mają charakter statystyczny, a nie ścisły, żeby wyjaśnić, co dzieje się z energią uwalnianą w jądrowych rozpadach β (dziś wiemy, że unosi ją nieznana wtedy cząstka - neutrino), nikt już na serio nie wątpił w zachowanie energii we wszystkich układach, dla których można ją w sposób sensowny określić.