Gyorskeresés

Hőből mozgás (Rumford és Davy kísérletei) 6279

Van egyáltalán köze egymáshoz a hőnek és a mozgásnak?

A fizikában hagyományosan vannak nagy fejezetek (ágak), mint a mechanika, az elektromágnesség, a hőtan vagy az optika. De vajon hogyan kapcsolódnak egymáshoz a fejezetek? Például a mechanikában is van energiája a testeknek (mozgási, helyzeti, rugalmas energia), és a hőtanban is (belső energia). Manapság az energia fogalma már annyira általános, hogy számunkra természetes, ha különféle energiafajták egymásba alakulnak, "átlépve" a fizika egyes ágain. De például 1845-ig (Joule híres, lapátkerekes kísérletéig) olyannyira nem volt ez így, hogy a hőtanban szereplő hőközlésnek, mint egyfajta energiaátadásnak (energiatranszport-folyamatnak) még a mértékegysége is más volt, mint a mechnikában szereplő energiáké. Pedig a hő és a mozgás kapcsolata már jóval korábban közismert volt: hiszen azt, hogy a mechanikai mozgás "hővé alakítható", már az ősemberek is "tudták", de mindenesetre használták tűzgyújtásra; a dörzspálcás tűzgyújtás mai napig használatos a világ minden táján:

Ennek ellenkezőjét azonban, vagyis hogy "a hő mechanikai mozgássá alakítható", a történelem során nagyon sokáig nemcsak hogy nem volt használatban, de még csak fel sem merült, mint lehetőség vagy kérdés sem. Ugyanis a hőtannak a legalapvetőbb fogalmai sem tisztázódtak nagyon sokáig. Ugyan a lőfegyverek, majd a gőzgép hőből mozgást csinált, de a tudományos gondolkodásban ezek nem hoztak nagy változást. Csak kb. 200 évvel ezelőtt kezdett el kitisztulni a kép a hő és a mozgás viszonyával kapcsolatban.

A fenomenologikus (jelenségközpontú) hőtan két alapvető fogalma a $T$ hőmérséklet, és a $Q$ hőmennyiség. A hőmérséklet egy test állapotát jellemzi egy adott pillanatban, azaz állapotjelző, és azt mutatja meg, hogy a test "mennyire meleg"; a belső energiájáról árul el valamit (pontosabban a test egy részecskéjének egy szabadsági fokára jutó átlagos energia arányos a kelvinben mért hőmérséklettel). Ezzel szemben a hőmennyiség a test két állapota közötti folyamatot jellemző mennyiség, vagyis a test belsőenergia-változásával kapcsolatos (a test mennyi energiát vett fel vagy adott le "rendezetlen" módon, azaz hőként). Ez a két fogalom - utólag kissé meglepő módon - a tudománytörténetben elég sokáig nem vált szét, hanem összemosódva mindkét dologról egyaránt úgy beszéltek, hogy "meleg". A sokáig széles körben elfogadott kép az volt, hogy létezik egy "hőanyag" (más néven kalorikum) nevű furcsa anyag, mely közvetlenül nem is érzékelhető, ugyanis színtelen, szagtalan és súlytalan. Ez a kalorikum határozza meg a testek hőtani jellemzőit. A hőanyagelmélet szerint minden testben van valamennyi hőanyag; a testek ahhoz hasonlóan tartalmaznak magukban hőanyagot, ahogy a szivacs vagy egy nedves ruha magában tart valamennyi vizet. A melegebb testekben több hőanyag van, a hidegebb testekben kevesebb. Amikor egy melegebb test kölcsönhatásba lép egy hidegebb testtel, akkor a melegebb lehűlése és a hidegebb felmelegedése során az a (számunkra láthatatlan) folyamat játszódik le, hogy a melegebb testből valamennyi hőanyag áramlik át a hidegebb testbe. A testek "melegségének" megváltozása révén tehát közvetett módon érzékeljük a hőanyag leadását vagy felvételét.

Ebben a korban (17-18. század) szinte minden jelenséget folyadékok áramlásával próbáltak megmagyarázni. A hőtani jelenségek mellett az emberi test működését is különféle folyadékok áramlásával képzelték el, a betegségek hátterében a különféle testfolyadékok elégtelen áramlását feltételezték. Az elektromos jelenségeket szintén úgy képzelték el, hogy létezik egy (a hőfolyadékhoz hasonlóan) színtelen, szagtalan, súlytalan elektromos folyadék, ami mikor átáramlik egyik testből a másikba, akkor azok elektromos állapota (elektromos töltése) megváltozik.

A hőanyagelméletet nem csupán egy szemléletes kép volt, hanem részletesen kidolgozták, számolásokat is lehetett vele végezni. A mechanikai folyadékok - mint jól kiforrott tudományterület - szolgált mintául. Ahogy a közlekedőedényekben a víz, mint folyadék, szintjei kiegyenlítődnek, úgy a hőtani folyamatokban a testek hőfolyadék szintjei is kiegyenlítődnek. A melegebb testben több a hőanyag, így ő olyan, mint a közlekedőedény azon szára, amiben kezdetben (a többivel való kapcsolat megnyitása előtt) magasabban van a víz szintje. A vízszintnek a hőmérséklet felel meg, az átadott hőnek pedig az átáramlott víz térfogata. Az elméletben a hőkapacitás fogalma úgy jelenik meg, mint a testet szimbolizáló közlekedőedény-szár keresztmetszete. A nagy hőkapacitású test felmelegítéséhez sok hő kell, vagyis közlekedőedényként ő egy vastag csőnek felel meg, amiben a vízszintet megemelni csak sok folyadék odaáramoltatásávak lehet. Ugyanígy ha ez a nagy hőkapacitású test lehűl, akkor az ő hőmérsékletének kis csökkenése is már nagy mennyiségű hő leadásával jár együtt.

A hőanyagelmélet élte boldog életét, mígnem Rumford gróf (eredeti nevén Benjamin Thompson) a hadsereg eszközállományának fejlesztése során fel nem figyelt több érdekes jelenségre.
 

Rumford kísérletei ágyúlövésekkel

Rumford megfigyelte, hogy ha egy ágyúba puskaport tölt, és "üresen" (ágyúgolyó nélkül) süti el, akkor az ágyú csöve nagyon felmelegszik:

De ha ugyanezzel az ágyúval és ugyanannyi puskaporral egy ágyúgolyót lő ki, akkor már kevésbé melegszik fel az ágyú csöve:

Vagyis mintha a puskapor égése során felszabaduló hő egy részét "elvinné" a kirepülő ágyúgolyó. Mintha a hő (meleg) egy része az ágyúgolyó (létrejövő) mozgása révén távozna. Kipróbálta azt is, hogy mit történik, ha ugyanezen ágyút az eddigi mennyiségű puskaporral megtölti, de nemcsak egy ágyúgolyót rak a csőbe és lövi ki, hanem egyszerre többet. Az eddigi elképzelésekkel összhangban azt tapasztalta, hogy minél több ágyúgolyót lő ki, az ágyú csöve annál kevésbé melegszik fel. Mert hogy a puskapor által felszabídított hőből egyre többet "visznek el" a kirepülő ágyúgolyók, ezért egyre kevesebb hő marad arra, hogy az ágyúcsövet felmelegítse:

Ez volt az első olyan tudományos célzatú észrevétel, hogy a testek mechanikai mozgása és a hőtani folyamatok kapcsolatban állnak egymással. Ez egyúttal ellent mondott az akkoriban uralkodó hőanyagelméletnek, hiszen az ágyúgolyó csak úgy tudott volna jelentős mennyiségű hőanyagot elvinni (hiszen a nagy, nehéz ágyúcső jelentősen különböző hőmérsékletekre melegedett fel), ha a ágyúgolyó irtózatosan felmelegszikviszont azt nem tapasztalták, hogy forró lenne a becsapódó ágyúgolyó. 


 

Rumford kísérletei ágyúcső fúrásával

Rumford 1798-ban azt is megfigyelte, hogy amikor egy ágyú gyártásakor annak csövét fúrják, olyankor az ágyúcső is és a lehulló fémforgács is igen meleggé válik. De honnan származik ez a meleg? A hőanyagelmélet alapján egy test kétféle okból melegedhet fel:

  1. Ha kölcsönhatásba lép egy nála melegebb (magasabb hőmérsékletű) testtel, akitől hőanyagot kap. Itt viszont nem volt melegebb test, ami az ágyúcső és a fémforgács felmelegítéséért felelőssé tehető lett volna.
  2. Ha a test hőkapacitása lecsökken. Ilyenkor a közlekedőedény modell szerint a folyadéktartály vékonyodik, amitől benne a folyadékszint (vagyis a hőmérséklet) érthető módon megemelkedik. Rumford azonban azt találta, hogy az ágyúcső és a fémforgács pont ugyanolyan fémnek tűnik, mint az ágyú eredeti anyaga; nem tapasztalta az anyag semmiféle megváltozását, például a hőkapacitásának megváltozását sem.

Rumford ezt úgy értelmezte, hogy a fúrószár mozgása biztosítja az ágyúcső és a fémforgács felmelegedését, vagyis a mozgás alakul át hővé.

Rumford még tovább ment: 1798-ban megfigyelte, hogy a fúrással - ha a fúrófej életlen, akkor - folyamatosan, bármennyi hőt lehet termelni. Ma úgy mondanánk, hogy a fúráskor az ember által végzett mechanikai munka a fúrószár és az ágyú találkozási pontjánál a súrlódási erő révén hővé alakul. A hőanyagelmélet alapján ez a jelenség érthetetlen, hiszen egy test (például az ágyúcső) kezdetben csak véges mennyiségű hőanyagot tartalmaz, így csak véges mennyiségű hőanyagot vonhatunk el tőle. Az ágyú azonban bármennyi hőt le tudott adni, ha folyamatosan fúrták. Rumford a fúrás alatt álló ágyú hőjével vizet forralt, bizonyítva ezzel, hogy itt "igazi hő" fejlődött., és a történelem során először a víz forralásához nem használt tüzet.

 

Davy kísérletei jégtömbök összedörzsölésével

Davy mindössze 20 éves volt, amikor 1799-ben két téglatest alakú jégtömböt vasrúdra drótozott, és egy fagypont alatti hőmérsékletű helyiségben pár percig erősen összedörzsölte őket úgy, hogy a jégtömbök csak egymással dörzsölődtek össze, semmi máshoz nem értek hozzá. Azt tapasztalta, hogy bár az egész helyiségben semmi nem volt, ami a víz fagypontjánál melegebb lett volna, mégis a jágtömbök csaknem teljesen elolvadtak. Davy az olvadék vizet is összegyűjtötte, és azt találta, hogy az kissé magasabb hőmérsékletű, mint a víz fagyáspontja.

Ezzel megint megerősödött a rumfordi gondolat: a mozgás hővé alakítható.

Utólag kissé fura, hogy miért kellett Davy-nek állványzatba rögzített jégtömböket összedörzsölnie egy fagypont alatti hőmérsékletű helyiségben ahhoz, hogy felhívja a figyelmet arra, hogy a mozgás a súrlódás révén hővé alakítható. Hiszen van egy igen hasonló, de közismert eset: hogy ha a két tenyerünket erősen összedörzsöljük, akkor a tenyereink érezhetően felmelegszenek. Ez ugyanúgy ellent mond a hőanyagelméletnek, mint a híres jégtömbös kísérlet.

Bár Rumford és Davy kísérletei egyértelműen ellent mondtak a hőanyagelméletnek, ezután még időbe telt míg az kimúlt, és átadta helyét a kinetikus elméletnek, amiben a a testek hőmérsékletét a részecskéik mozgása (mozgési energiája) határozza meg.