Az energia, az energiaváltozás és az energiaátalakítás fogalmának fejlődéstörténete (a hőtantól a termodinamikáig) Dr. Inzelt György egyetemi tanár Eötvös Loránd Tudományegyetem TTK Fizikai Kémiai Tanszék

Hőanyag, mozgás, rend, energia Korai idők kronológiája i.e. 250000 év tűzgyújtás – hőfejlesztés dörzsöléssel spontán tűz villámcsapás által i.e. 7000-10000 év sütés – főzés, cserépégetés, fémmegmunkálás i.e. IV. század Arisztotelész (i.e. 384-322) őselemek; a 4 közül az egyik a tűz (ősanyag + meleg és száraz), dynamisz (erő), energeia (mozgási energia) Kína: Írások könyve „A Nagy Szabály” c. fejezet: 5 elem, „Az első a víz, a második a tűz…” Ellentétpárok (jin és jang) hideg – meleg Görög és kínai: az uralkodó rend sok, kis állandóan mozgó, egymással kölcsönhatásban álló részekből alakul ki. Héron: Pneumatika (levegő és légnyomás) pneuma (sztoikus természetfilozófia): tüzes lélegzet, a világot betöltő változékony erő. Hőanyag, mozgás, rend, energia

Korai idők kronológiája T. Lucretius Carus (i.e. 97-55) római filozófus-költő „A természetről” De Rerum Natura „Nézd ugyanis valahányszor réseken által Ontja homályosb részibe a háznak be sugarát: Látni fogod, hogy szerte az űrben mennyi parányi Test pezseg a fénylő napsugárnak közepette.” Tyndall – jelenség John Tyndall (1820-1893)

A hőmérséklet, a nyomás és a gáztörvények 1500 évvel később (XVII. sz.) A hőmérséklet, a nyomás és a gáztörvények Galileo Galilei (1564-1642) vákuum, légnyomás Evangélista Torricelli (1608-1647) légnyomás és mérése, „funiculus” Blaise Pascal (1623-1662) Pa egység Otto von Guericke (1602-1686) magdeburgi féltekék – vákuum Robert Boyle (1627-1691) Sceptical Chemist, ír nemes, Oxford, gazdag Robert Hook (1635-1703) Hook – törvény, légszivattyú Boyle – Mariotte törvény: PV = állandó Boyle csak idézte 1662-ben kiadott könyvében Richard Towneley (1629-1668) megállapítását, aki viszont Henry Power (1623-1668) kísérleteit és következtetéseit használta fel. Edmé Mariotte (1620-1684) könyve 1679 Isaac Newton: Principia II. kötet: a nyomás és a térfogat közötti összefüggés a részecskék egymás közötti rövidtávú kölcsönhatásából következik. Santorio Santorii (1561-1630) az első hőmérő 1612. Ez és Galileié is nyomásérzékenyek voltak.

 A hőmérséklet fogalma és mérhetősége. Guillaume Amontons (1663-1705) az első megbízható hőmérő Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1734) folyadékos hőmérő Anders Celsius (1701-1744) hőmérsékleti skála 1742. Joseph Louis Gay - Lussac (1778-1850) p ~ T (V = állandó), V ~ T ( p = állandó) Gay – Lussac vagy Charles törvény [→ Peter G. Tait (1831-1901) skót fizikus; Jacques A.C. Charles (1746-1823) is francia volt!] Gay – Lussac: gázreakciók térfogati törvénye  Amadeo Avogadro (1776-1856): minden gáz azonos térfogata, állandó hőmérsékleten és nyomáson azonos számú molekulát tartalmaz. 1811 Nem figyeltek fel rá. Stanislao Cannizzaro (1826-1910) 1858 Avogadro elmélet magyarázata Julius Lothar Meyer (1830-1895): „Mintha hályog esett volna le a szememről, a kétségek eltűntek, és helyükre lépett a bizonyosság békéje.” Egyesített gáztörvény: PV = nRT  A hőmérséklet fogalma és mérhetősége.

A hő mint a részecskék mozgása, az energia A kinetikus elmélet (részecskék mozognak) Daniel Bernoulli (1700-1782) „Hydrodynamika” c. könyve 1738. p ~ v2 gázok hőmérséklete a részecskék mozgásából származik Leonard Euler (1707-1783) v = 477 m s-1 Christian Huygens (1629-1695) rugalmas ütközésben Σmv őrződik meg Gustave Gaspard de Coriolis (1792-1843) mozgási energia ½ m v2. Thomas Young (1773-1829) energia a vis viva (eleven erő, életerő) helyett William J.M. Rankine potenciális (helyzeti) és kinetikus (mozgási energia) Lord Kelvin (William Thomson 1824-1907, Baron Kelvin of Largs) - kinetikus energia K fok, „thermo-dynamic” 1849. termodinamika James Watt (1736-1819) munka gőzgép

Hőanyag vagy mozgási energia? I. Francis Bacon (1561-1626) a hő az anyagi részecskék mozgásának egyik formája 1620. „Novum Organum” [Francis Thomas Bacon (1904-1992) – pórusos gázdiffúziós elektród, első alkalikus tüzelőanyag cella – Apolló űrhajó] Caloricum (hőszubsztancia) – minden anyagban jelenlevő rugalmas folyadék Joseph Black (1728-1799) – kaloriméter: a hőmérséklet mérésével a hő mennyisége meghatározható, hőkapacitás, különbségtétel a hő és a hőmérséklet között. Nicolas L. Sadi Carnot (1796-1832) 1824. Lord Kelvin: „a tudománynak adott korszakalkotó ajándék”, hőerőgépek, gőzgépek hatásfoka (η) nyomás – térfogat diagram, Carnot ciklus, termodinamikai reverzibilitás

Hőanyag vagy mozgási energia? I. Jean B.J. Fourier (1768-1830) hővezetés egyenlete – Fourier sorok Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) Pierre Simon Laplace (1743-1827) „Értekezés a hőről” 1783. „A tudósok véleménye megoszlik a hő természetét illetően. Sokan úgy vélik, a hő fluidum, amely szétoszlik a természetben, és aszerint járja át a testeket, hogy milyen a hőmérsékletük, és mennyire képesek a hő megtartására… Más tudósok szerint a hő az anyagot alkotó részecskék észrevehetetlen mozgásának az eredménye… Nem kívánunk dönteni a két hipotézis között.”

Hőerőgépek, gőzgépek Az ipari forradalom Kulcskérdés: a hőt minél nagyobb hatásfokkal munkává alakítani Denis Papin (1647-1714) egydugattyús gőzgép Thomas Savery (1650-1715) gőzszivattyú Thomas Newcomen (1663-1729) „vasangyal” „tüzesgép” James Watt kondenzációs gőzgép (kazán-munkahenger-gőzsűrítő) 1769. Richard Trevithick (1771-1833) 1803. ez első gőzmozdony George Stephenson (1781-1848) tökéletesített gőzmozdony Hol van Wattnak illetve Stephensonnak szobra Budapesten? (A Keleti pályaudvar falfülkéjében.)

Hőerőgépek, gőzgépek Robert Fulton (1765-1815) gőzhajó 1814. Joseph Cugnot (1725-1804) gőzkocsi Benoit Pierre Émile Clapeyron (1799-1864) tette ismertté Carnot munkáját Kelvin: abszolút hőmérsékleti skála a Carnot – ciklus alapján Rudolf Diesel (1858-1913) „Theorie und Konstruktion eines rationallen Warme – Motors” 1893. „Vas sínen a gőzgép nagy terhet vonva közeleget, … Testem is hőanyt likacsin már veszteni kezdi.” Arany János: „A reggel – Természetrajz” 1881.

Hőanyag vagy mozgási energia. II Hőanyag vagy mozgási energia? II. A hőanyag elmélet bukása, a kinetikus elmélet diadala Mihail Lomonoszov (1711-1765) „Elmélkedések a meleg és a hideg okáról” 1750. „a meleg az anyag belső mozgásával van összefüggésben… a belső mozgás alatt az anyag érzékelhetetlen részeinek helyváltoztatását értjük.” Humphry Davy (1778-1829) „Értekezés a hőről, a fényről és a fény kombinációjáról” 1799. „a caloricum nem létezik” Benjamin Thompson, Rumford grófja (1753-1814) a híres ágyúfúrási kísérlet, 1798. Royal Society előadás „a súrlódás által létrehozott hő kimeríthetetlen…, ezért a hő nem lehet anyagi természetű…, hanem az a mozgás egyik formája”

Q ~ I 2 Rt I – áramerősség, R – ellenállás, t - idő Az energiamegmaradás törvénye Julius Robert Mayer (1814-1878) A munka és a hő egymásba alakítható, az energia megsemmisíthetetlen. James Prescott Joule (1818-1899) Joule egység a hő (Q) és a munka egymásba alakítható Q ~ I 2 Rt I – áramerősség, R – ellenállás, t - idő Joule – Thomson – hatás → hűtőgépek William R. Grove (1811-1890) „On the Correlation of Physical Forces” - tüzelőanyag-cella 1839.

Az energiamegmaradás törvénye A termodinamika főtételei 2. főtétel – Carnot, Kelvin (1852) – az energia disszipációja, irreverzibilis folyamatok 1. főtétel – Mayer Rudolf Julius Emmanuel Clausius (1822-1888) entrópia: trope (görög, átalakulás) + en (be) Verwandlung = átalakulás, átváltozás „A világ energiája állandó, az entrópia a maximumra törekszik.” 1850. „hőhalál” elméletek 3. főtétel – Walther Nernst (1864-1948) S (T = 0) = 0 Nobel – díj 1920, „termokémiai munkásságáért” 0. főtétel hőmérsékleti egyensúly, a hőmérsékletmérés alapja

A kinetikus elmélet további fejlődése John Herapath (1790-1868) PV = N m v2 John James Waterston (1811-1883) energiaeloszlás (ekvipartició) elve v ~ T ½ Philosophical Transactions 1846. elutasítják, Lord Rayleigh (1842-1919) újra felfedezi 1892. James Clerk Maxwell (1831-1879) gázok kinetikus elmélete, a molekulák sebességeloszlása 1860. Clausius (1857) PV = ⅓ N m u2 Ludwig Boltzmann (1844-1906) „A termodinamika 2. főtételének mechanikai értelmezése” 1866. Az energiaeloszlás törvénye, 1868. S = k ln W Josiah Willard Gibbs (1839-1903) „Elementary Principles in Statistical Mechanics Developed with Special Reference to the Rational Foundations of Thermodynamics” 1902.

A kinetikus elmélet további fejlődése Max Planck (1858-1947) – állapotösszeg, megoszlási függvény (partition function) „Az entrópia növekedésének elvéről” hatáskvantum Albert Einstein (1879-1955) 1905. Annales der Physik „Planck sugárzási elmélete és a fajhők elmélete” 1907. Pierre Louis Dulong (1875-1838) és Alexis – Thérese Petit (1791-1820) szilárd testek hőkapacitása azonos, 25 J-1 mol-1 mérések kis hőmérsékleteken Paul Gottfried Linde (1842-1934) cseppfolyós levegő a Joule-Thomson elv alapján Einstein T → 0 Cv → 0 Peter Joseph Wilhelm Debye (1884-1966) Cv ~ T 3

A kinetikus elmélet további fejlődése Energetikus iskola (Wilhelm Ostwald, Dukem) Az energia a legalapvetőbb realitás (létezési forma). Einstein 1905. E = m c2 Atomenergia. Maghasadás 1938. Otto Hahn (1879-1968), Fritz Strassmann (1902-1980) Lise Meitner (1878-1968), Otto Robert Frisch (1904-1979) 200 Me V / reakció = 2 x 1010 kJ / mol reacióként 1942. december 2. Enrico Fermi, Szilárd Leo, Chicago atomreaktor

Kémiai termodinamika. A főtételek egyesítése. G = U + PV – TS = H – TS Gibbs 1870. G – szabadentalpia, Gibbs energy, Gibbs free energy H – entalpia [Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926), 1909; thalposz = hő, en = benne (görög)] Kémiai potenciál – Gibbs fázisszabály: F + SZ = K + Z – Gibbs Helmholtz: kötött és szabad energia 1882. A = U – TS Pierre Eugene Marcelin Berthelot (1879-1907) affinitás Gibbs – Helmholtz – egyenlet — Bugarszky István (1868-1941) endoterm elem Gibbs: DG = – n FEcell

Kémiai termodinamika. A főtételek egyesítése. Jacobus Henricus van’t Hoff (1852-1911) 1901. első kémiai Nobel – díj kémiai termodinamika „Études de dinamique chimique” 1884. egyensúlyi állandó hőmérséklet és nyomásfüggése, ammóniaszintézis ozmózisnyomás – hibás elmélet: „Die Rolle des osmotischen Druckes in der Analogie zwischen Lösungen und Gasen” Zeitschift für physikalische Chemie 1, 481 (1887).

a megtisztelő figyelmet! Köszönöm a megtisztelő figyelmet!