Historyczny rozwój pojęcia ciepła

Pojęcie ciepła czy zimna jest tak sklepione z życiem człowieka, zwierząt i niższych ustrojów, i tak głęboko wchodzi w ich najbardziej istotne funkcje życiowe, że dziwne się wydać może, iż trzeba było długich okresów czasu, sięgających wstecz aż do epoki legend, by poznać zjawisko wydzielania się ciepła i światła, należy wymienić wybitnego greckiego filozofa czasów antycznych Arystotelesa ze Stagiry. Zajmując się zjawiskami fizycznymi wyraził on pogląd nie tylko o wieczności i niezniszczalności pramaterii wszechświata, ale i o możliwości w niej przemian oraz o powstawaniu ciepła.

Często można spotkać w literaturze technicznej wzmianki, że już 120 lat p.n.e. Heron z Aleksandrii skonstruował pierwowzór turbiny parowej. Oczywiście, był to eksperyment bez następstw technicznych, odzwierciedlający jednak myśl badawczą w dziedzinie ciepła już w starożytnych czasach.

W XIII w. Roger Bacon stara się uzasadnić pogląd, że ciepło powstaje przez ruch, a jako dowód podaje, że klocek spadający na ziemię z dużą prędkością nagrzewa się.

Następnie w 1620 r. Lord- kanclerz Francis Bacon próbuje sformułować istotę ciepła, przedstawiając je jako ruch małych cząstek, posiadających pewną siłę żywą o tendencji do rozszerzania się wbrew naturalnemu hamowaniu. Filozof francuski Kartezjusz uważał,że ciepło powstaje przez uderzenie promieni słonecznych o cząstki materialne lub w inny sposób, i pochodzi z ruchu najdrobniejszych cząstek. Później, w siedemnastym wieku, podobne idee wyrażali Robert Boyle i Robert Hooke.

Około 1750 r. Joseph Black wyraźnie odróżnił pojęcie ilości ciepła od temperatury. Zmierzył on ciepło, zużywane przy ogrzewaniu wody i topnieniu lodu. Black wprowadził bardzo użyteczną wielkość zwaną obecnie "ciepłem właściwym" i próbował interpretować ciepło jako pewien "fluid", który bez żadnych strat przechodzi od ciał gorących do zimnych. Ten fluid nazwano wkrótce "cieplikiem".

Wiele było dyskusji na temat wagi cieplika.Niektórzy sądzili, że cieplik ma ciężar; inni wychodząc z założenia, że ciała gorące są lżejsze, twierdzili, że ma ciężar ujemny. Pewne światło na tę sprawę rzuciło doświadczenie hrabiego Rumforda. Rumford zważył pewne ilości lodu, a następnie ciepłą wodę, powstałą po jego ogrzaniu, i nie stwierdził żadnej różnicy. Fakt ten nie podważył wiary w istnienie "cieplika", wskazał jedynie na jego nieważkość.
Wybitny ówczesny chemik szwedzki Jons Jacob Berzelius tak przedstawia sprawę ciepła: "Czym jest ciepło nie wiemy. Obserwowane zjawiska pozwalają przypuszczać, że ciepło i światło są tą samą materią, które przy dużej prędkości przenoszenia przejawia się jako zjawisko światła, przy małej jako ciepło...ciepło stanowi ciało pozbawione ciężaru podobnie jak światło, elektryczność i magnetyzm, a brak wzajemnej zdolności skupienia się cząsteczek elementarnych pozwala tym ciałom rozprzestrzeniać się we wszechświecie".

Hrabia Rumford (1796r.), Anglik pracujący w Niemczech, stwierdził wydzielanie się ciepła w procesie wiercenia luf armatnich. Wydzielone ciepło było tak duże, że odpadające wióry wystarczały do zagrzania wody w naczyniu aż do zakipienia. Zjawisko to zostało zaobserwowane, lecz nie wytłumaczone.

Rozszerzanie się ciał można wytłumaczyć- jak pisze Lavoisier- w ten sposób, że ciepło składa się z nieskończenie małych cząsteczek nie stykających się ze sobą, a otoczonych ciepłem. W miarę dostarczania z zewnątrz ciepła cząsteczki zostają rozpychane, powiększając objętość ciała. Przy dalszym dostarczaniu ciepła ciało staje się płynne. Wreszcie, gdy ciepło dopływa z zewnątrz w dalszym ciągu, siły wiążące ciało zostają pokonane, a cząsteczki pod wpływem ciepła zostają wzajemnie oderwane i powstaje gaz.

Te i podobne teorie zajmowały umysły uczonych, ulegając mniejszym lub większym odchyleniom aż do lat 1842-1847, kiedy dzięki Jamesowi Prescottowi Joule'owi, przyrodnikowi Robertowi Mayerowi i inżynierowi G.A. Hirnowi- powstała zasada równoważności pomiędzy ciepłem i pracą, która zapoczątkowała nowy, do dziś trwający okres rozwoju nauki o cieple, oparty o zasadę zachowania energii i równoważności pracy i ciepła.
Zasada równoważności ciepła i pracy tak powoli się kształtowała, że trudno komuś przypisać pierwszeństwo w ustalaniu tego prawa. Już Carnot, wprawdzie bardzo ostrożnie, zajął stanowisko w sprawie dematerializacji ciepła jako flogistonu, ogłoszone w 1878 r., a następnie nad zjawiskiem tym pracowali Joule, Helmholtz, Rumford, Oersted i Colding. Jednak prawo pierwszeństwa do opublikowania tej zasady przysługuje Mayerowi. Jakkolwiek nie na drodze doświadczeń jak Joule, ale rozumowo doszedł do niej i nawet obliczył równoważnik cieplny pracy korzystając ze znanych praw fizyki.

Program prac naukowych o równoważności ciepła i pracy w różnych dziedzinach, ogłoszony przez Mayera, wykonał fizyk Herman Helmholtz. W publikacji "Uber die Erhaltung der Kraft" ogólne poglądy Mayera przedstawił w ścisłym opracowaniu, dając im w ten sposób pełnię możliwości rozwojowych.

Niezależnie od R. Mayera, Anglik J.P. Joule (1843) rozpoczyna szereg doświadczeń, mających wykazać równoważność ciepła i pracy, i jednocześnie przyczynia się do obalenia materialistycznych poglądów na ciepło, a sam daje pojęciu ciepła ujęcie energetyczne.

Aż do końca XVIII w., wybitni ówcześni fizycy: Pictet, Prevost, Black i inni, w swych pismach stale poruszają sprawę istoty ciepła, nie zajmując jednak wyraźnego i jednolitego stanowiska. Jedni traktują ciepło jak "ciecz", inni uważają, że ciepło jest "niczym" będąc wynikiem niedostrzegalnego ruchu cząsteczek w materii.

Anglik William Thomson, późniejszy lord Kelvin oraz niemiecki fizyk Rudolf Clausius, opierając się na pojęciu ciepła jako wyniku ruchu cząsteczek materii stworzyli podstawy nowego działu nauki o cieple- termodynamiki. Clausius pogłębia dotąd znane zjawiska cieplne, ustalone przez innych fizyków i formułuje pierwsze prawo termodynamiki, jak je nazwał, a następnie wprowadza drugie prawo termodynamiki, tworząc fundament dzisiejszego ujęcia tego działu fizyki.

W drugiej połowie XIX w., wprowadzając pojęcia entalpii, energii swobodnej, potencjału termodynamicznego doprowadzają termodynamikę do wysokiej doskonałości uczeni: Niemiec H. Helmoholtz, Holender van't Hoff, Francuz Massieu, Rosjanin D. Konowałow oraz klasycy termodynamiki: Francuz P. Duhem i Amerykanin J.W. Gibbs.

Zastosowanie termodynamiki przez van't Hoffa, Duhema i Gibbsa do równowag chemicznych nasunęło zagadnienie znalezienia stałej całkowania entropii. Rozwiązanie podał w 1906 r. uczony niemiecki W. Nernst, a pogłębił je w postaci trzeciej zasady termodynamiki uczony niemiecki M.Planck.

W 1909r. grecki matematyk C. Carathéodory przedstawił wszystkie wcześniej sformułowane zasady termodynamiki za pomocą aparatu matematycznego.

Carathéodory wykazał, że ani ciepło, ani praca nie są formami energii, są one natomiast procesami związanymi z przekazywaniem energii.

Równanie Carathéodory'ego dla pierwszej zasady termodynamiki jest równaniem Pfaffa, a równania Pfaffa mają opracowaną teorię matematyczną. Formułując drugą zasadę termodynamiki według Caratheodory'ego w postaci analogicznej do twierdzenia z teorii równań Pfaffa, uzyskujemy natychmiast w konsekwencji matematycznych własności tych równań temperaturę bezwzględną T i entropię S.

Opracowanie: Bożena Nycz - nauczyciel fizyki

Wyświetleń: 1067