Az energia, az energiaváltozás és az energiaátalakítás fogalmának fejlődéstörténete (a hőtantól a termodinamikáig) Dr. Inzelt György egyetemi tanár Eötvös.

Az előadások a következő témára: "Az energia, az energiaváltozás és az energiaátalakítás fogalmának fejlődéstörténete (a hőtantól a termodinamikáig) Dr. Inzelt György egyetemi tanár Eötvös."— Előadás másolata:

1 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

2 Hőanyag, mozgás, rend, energia
Korai idők kronológiája i.e év tűzgyújtás – hőfejlesztés dörzsöléssel spontán tűz villámcsapás által i.e év sütés – főzés, cserépégetés, fémmegmunkálás i.e. IV. század Arisztotelész (i.e ) 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

3 Korai idők kronológiája
T. Lucretius Carus (i.e ) 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 ( )

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

5  A hőmérséklet fogalma és mérhetősége.
Guillaume Amontons ( ) az első megbízható hőmérő Daniel Gabriel Fahrenheit ( ) folyadékos hőmérő Anders Celsius ( ) hőmérsékleti skála 1742. Joseph Louis Gay - Lussac ( ) p ~ T (V = állandó), V ~ T ( p = állandó) Gay – Lussac vagy Charles törvény [→ Peter G. Tait ( ) skót fizikus; Jacques A.C. Charles ( ) is francia volt!] Gay – Lussac: gázreakciók térfogati törvénye  Amadeo Avogadro ( ): minden gáz azonos térfogata, állandó hőmérsékleten és nyomáson azonos számú molekulát tartalmaz. 1811 Nem figyeltek fel rá. Stanislao Cannizzaro ( ) 1858 Avogadro elmélet magyarázata Julius Lothar Meyer ( ): „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.

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

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

8 Hőanyag vagy mozgási energia? I.
Jean B.J. Fourier ( ) hővezetés egyenlete – Fourier sorok Antoine Laurent Lavoisier ( ) Pierre Simon Laplace ( ) „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.”

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

10 Hőerőgépek, gőzgépek Robert Fulton (1765-1815) gőzhajó 1814.
Joseph Cugnot ( ) gőzkocsi Benoit Pierre Émile Clapeyron ( ) tette ismertté Carnot munkáját Kelvin: abszolút hőmérsékleti skála a Carnot – ciklus alapján Rudolf Diesel ( ) „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.

11 Hőanyag vagy mozgási energia. II
Hőanyag vagy mozgási energia? II. A hőanyag elmélet bukása, a kinetikus elmélet diadala Mihail Lomonoszov ( ) „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 ( ) „Értekezés a hőről, a fényről és a fény kombinációjáról” 1799. „a caloricum nem létezik” Benjamin Thompson, Rumford grófja ( ) a híres ágyúfúrási kísérlet, Royal Society előadás „a súrlódás által létrehozott hő kimeríthetetlen…, ezért a hő nem lehet anyagi természetű…, hanem az a mozgás egyik formája”

12 Q ~ I 2 Rt I – áramerősség, R – ellenállás, t - idő
Az energiamegmaradás törvénye Julius Robert Mayer ( ) A munka és a hő egymásba alakítható, az energia megsemmisíthetetlen. James Prescott Joule ( ) 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 ( ) „On the Correlation of Physical Forces” tüzelőanyag-cella 1839.

13 Az energiamegmaradás törvénye
A termodinamika főtételei 2. főtétel – Carnot, Kelvin (1852) – az energia disszipációja, irreverzibilis folyamatok 1. főtétel – Mayer Rudolf Julius Emmanuel Clausius ( ) 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 ( ) S (T = 0) = 0 Nobel – díj 1920, „termokémiai munkásságáért” 0. főtétel hőmérsékleti egyensúly, a hőmérsékletmérés alapja

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

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

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

17 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 ( ), 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 ( ) affinitás Gibbs – Helmholtz – egyenlet — Bugarszky István ( ) endoterm elem Gibbs: DG = – n FEcell

18 Kémiai termodinamika. A főtételek egyesítése.
Jacobus Henricus van’t Hoff ( ) 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).

19 a megtisztelő figyelmet!
Köszönöm a megtisztelő figyelmet!