Caloricum , mint előlremutató elmélet

Az előadások a következő témára: "Caloricum , mint előlremutató elmélet"— Előadás másolata:

1 Caloricum , mint előlremutató elmélet
Szondy Levente

2 Hő és energia A hőmérő A romantikus természetfilozófia felébresztette a fizikusokban az igényt, hogy a sokszínű jelenségek kapcsolatában, egymásba alakulásában a közöset, az állandót keresse, a technika viszont választ követelően felvetette az erőgépek hatásfokának kérdését. Az energiamegmaradáshoz vezető fővonal tehát a hő mibenlétének kérdésköréhez kapcsolódik. Azt várnánk, hogy a hő mibenlétéről alkotott felfogás közvetlenül a XVII. század végén már általánosan elterjedt elképzelésből indul ki, és közvetlenül vezet el a két energiaforma, a mozgási és hőenergia közötti kapcsolathoz. Nem így történt, a fizika elhagyva a hő kinetikus elméletét, a ,,caloricum", a hőanyag elméletét teszi magáé¬vá. JOSEPH BLACK nevéhez fűződnek a hőtan alapvető kvan¬titatív fogalmai — hőmennyiség, fajhő, latens hő, olvadáshő, párol¬gási hő — amelyek megmérésével a legegyszerűbb törvényszerűségeket fel lehetett állítani, de CARNOT és FOURIER hőtani eredmé¬nyei is a caloricumelmélet alapján születtek. Már a középkorban világosan látták, hogy a hővel kapcsolatban két, alapvetően különböző mennyiséget kell megkülönböztetni: az egyik egy intenzitás, a másik egy kvantitás jellegű mennyiség. Érezték, hogy a láng valahogyan nagyobb hőintenzitással rendelkezik, mint egy meleg vasdarab: ugyanakkor a vasdarabban több a meleg kvanti¬tása, mint a lángban. Ma azt mondjuk, hogy az előző a hőmérséklettel, az utóbbi pedig a hőtartalommal van közvetlen kapcsolatban. A mérést az tette lehetővé, hogy közben a XVII. században kifejlesztették a hőtan legfontosabb mérőeszközét, a hőmérőt. Már Alexandriában is ismerték és felhasználták azt a tényt, hogy a levegő melegítés hatására kitá¬gul, hőmérséklet mérésére azonban csak a XVII. század elején hasz¬nálták fel.

3 Az ábrán láthatjuk azt a berendezést, amelynek konstruálása GALILEI nevéhez fűződik, jóllehet ő maga erről részletesen nem beszél; ezt a berendezést barotermoszkópnak is szokás nevezni, mert szemmel láthatóan a mutató állása függ a levegő nyomásától is.

4 Az első leforrasztott alkoholos hőmérő II
Az első leforrasztott alkoholos hőmérő II. FERDINÁND toszkán herceg nevéhez fűződik.

5 Caloricum mint előremutató elmélet: Joseph Black
A hőmérő tette lehetővé, hogy a hőtan alaptörvényeit kvantitatív formába lehessen öltöztetni. Ezt tette JOSEPH BLACK ( ). A hőre vonatkozó legfontosabb felfedezései glasgow-i tevékenységének idejére esnek. Elméletét elsősorban tanítványának, Robinsonnak könyvéből ismerjük, aki 1803-ban könyv alakban megjelentette BLACK előadásait. BLACK mérésekkel is pontosan megállapította azt a már addig is ismert tényt, hogy az egymással kapcsolatba kerülő testek igyekeznek azonos hőmérsékletet felvenni. Ezt eddig úgy értelmezték, hogy a hő oszlik el azonos módon a különböző testek között. BLACK igen találóan ezt az állapotot a testek hőegyensúlyának nevezte, és leszögezte, hogy azok, akik a hőegyenlőségről beszélnek, két élesen megkülönböztetett dolgot, a hőmérsékletet és a hőmennyiséget zavarják össze. Bevezeti a fajhő fogalmát, azaz megvizsgálja, hogy mekkora hőmennyiség szükséges ahhoz, hogy különböző testek azonos tömegű darabját azonos hőfokkal emelje. Megcáfolja azt az általánosan elterjedt nézetet, hogy ez a hő azonos térfogatú testek esetén azok tömegével, más szóval azok sűrűségével arányos. BLACK ezen méréseiben komoly ellenérvet lát a kinetikus elmélettel szemben: a kinetikus elméletből valóban az következnék — legalábbis első pillanatra —, hogy minél több vagy nehezebb anyagrészecske mozog, annál nagyobb lesz azok eleven ereje. Végkövetkeztetését, nevezetesen azt, hogy a hő szubsztancia, ma már nem fogadjuk el. A hőszubsztancia súlyára vonatkozóan a vélemények megoszlottak. Sokan méréssel igyekeztek eldönteni a kérdést. Gondoljunk csak az itt fellépő számtalan hibaforrás lehetőségére. Ezek a mérések azt látszottak bizonyítani, hogy a caloricumnak van súlya, bár ez igen kicsi a test összsúlyához képest. Voltak olyan mérések, amelyek alapján a caloricumnak negatív súlyt kellett volna tulajdonítani. A súly nélküli szubsztancia — imponderábilia — fogalma sem okozott volna különösebb nehézséget. Mind a fény, mind az elektromos fluidum esetében ezt már megszokták.

6 Tények és tévhitek a kalóriáról
A mai ember számára az energia megmaradásának törvénye teljesen természetes, a diákok mosolyogva szokták felidézni a törvény legismertebb megfogalmazását: "energia nem vész el, csak átalakul". A különböző energiaformák közül a mozgási energia jelentését és jelentőségét már a XVII. század végén sejtették. Azt gondolhatnánk, hogy a "hőenergia" fogalmát ekkor már összekapcsolták a testet alkotó részecskék mozgási energiájával, ahogy ez mai felfogásunk szerint egészen nyilvánvalónak tűnik. Nem így történt! Csak a XIX. század közepén fogadták el általánosan azt a felismerést, hogy mechanikai munka, például a súrlódás belső energiává alakítható át. A késői felismerést az indokolja, hogy az anyagok atomos felépítésének elmélete csak a XVIII.-XIX. század fordulója táján, a kémia fejlődése következtében születhetett meg. Az energiamegmaradáshoz vezető út a hő mibenlétének megértésén át vezetett, de nem egyenesen, hanem egy feleslegesnek tűnő vargabetűt téve. Ez a téves elképzelés a "caloricum" elmélete volt. A következőkben ennek történetével, mai napig tartó hatásával foglalkozunk.

7 Joseph Black

8 Elismerésre méltó, hogy a vérbeli kísérleti fizikus Black mennyire tisztán látta, hogy a caloricum-elmélet csupán hipotézis, mert hőfolyadékot önállóan senki sem tudott megfigyelni. Az elmélet olyan jól használhatónak bizonyult, hogy később sokan tényként fogadták el a hőfolyadék létezését. Black határozta meg a caloricum (mai szóhasználattal élve a hőmennyiség) mértékegységét, a kalóriát: Egy kalória (1 cal) hőmennyiség szükséges ahhoz, hogy 1 gramm víz hőmérsékletét 1°C-kal megnöveljük. Ezt úgy is megfogalmazhatjuk, hogy Black a víz fajhőjét egységnyinek rögzítette, tehát kalóriával kifejezve a víz fajhője: 1 cal/g°C. Később észrevették, hogy a fajhő kismértékben függ a nyomástól és a hőmérséklettől is, ezért a kalória definícióját így módosították: 1 cal hőmennyiség szükséges ahhoz, hogy 1 gramm 14,5 °C-os víz hőmérsékletét 15,5 °C-ra emeljük normál légköri nyomás mellett. Black keveréses módszerrel sokféle anyag fajhőjét megmérte, és cáfolta az akkoriban elterjedt nézetet, hogy a testek fajhője sűrűségükkel egyenesen arányos lenne. A caloricum elmélet következtében terjedtek el az olyan ma is használatos kifejezések, mint hőátadás, hőfelvétel, hőleadás, hőközlés, hőfelszabadulás, amit akkoriban úgy értettek, hogy valódi szubsztancia, a hőfolyadék átadásáról, felvételéről, felszabadulásáról, stb. van szó. Annak ellenére, hogy ma már világosan látjuk, hogy hőfolyadék (caloricum) nem létezik, kalorimetriai problémák esetén ma is jól tudjuk használni a régi tárgyalásmódot. Gondoljunk csak az ilyen megfogalmazásra: "a melegebb test által leadott hő megegyezik a hidegebb test által felvett hőmennyiséggel". Nyugodtan használhatjuk ezt a leírásmódot, de közben ne felejtsük el, hogy a hőközlés mindig energiaátadást jelent.

9 A "caloricum" elmélet cáfolata, a hő mechanikai egyenértéke
A hőfolyadék elmélettel nem tudták megmagyarázni a súrlódáskor keletkező hőt. Megjelent egy új elmélet, amit Benjamin Thomson, vagy más néven Rumford gróf ( ) képviselt, miszerint "a hő mozgás". Rumford részletesen megvizsgálta az ágyúcsövek kifúrásakor fellépő hőviszonyokat és megállapította, hogy állandó dörzsöléssel egy anyagdarabból tetszőlegesen sok hőt tudunk kivenni, ha elegendően hosszú ideig dörzsöljük, vagyis a hő nem lehet anyagi szubsztancia. Rumford gróf egy ideig a bajor katonai arzenál (fegyvertár) vezetője volt, így érthető, miért ágyúcsövek kifúrásakor fellépő súrlódást vizsgált. Rumford nagyon közel járt a mechanikai és hőenergia azonosságának felismeréséhez, mérési eredményeiből utólag ki lehet olvasni a későbbiekben nagy szerepet játszó ekvivalencia (egyenértékűség) számértékét is. Az akkori szóhasználat szerint "a hő mechanikai egyenértékét" végül is James Prescott Joule határozta meg, eredményét 1845-ben publikálta.

10 A francia eredetű családból származó Joule már Angliában született, Manchesterben élt, magát angolnak tekintette. Nevét szokás francia kiejtéssel "zsúl"-nak mondani, de helyes az angolos "dzsul" és az amerikai "dzsaul" kiejtés is. Joule sörfőzde tulajdonos volt, az egyik utolsó autodidakta (önképzéssel szerezte tudását), aki érdemben hozzájárult a fizika fejlődéséhez. Súlyok segítségével lapátokkal ellátott kereket hajtott meg, ami egy vízzel telt edényben forgott. A víz közegellenállása miatt a lapátkerékre nagy súrlódásos típusú fékezőerő hatott, aminek következtében a kerék forgása (és a súlyok mozgása is) hamar egyenletessé vált. A súlyok helyzeti energiájának változása végül is a víz termikus energiáját növelte , amit hőmérő segítségével tudott nyomon követni. Joule olyan gondosan végezte méréseit, hogy eredménye 1 %-on belül megközelíti a ma elfogadott értéket: 1 cal = 4,186 joule.Joule mérései óta tudjuk tehát, hogy 1 kalória 4,186 joule munkának vagy energiának felel meg, amit legtöbbször 4,2 J értékre kerekíthetünk.

11 Élelmiszerek energiatartalma
Mindennapi életünkben a kalóriával az élelmiszerek energiatartalma kapcsán találkozhatunk, mert a legtöbb élelmiszer csomagolásán mindkét egységben fel van tüntetve az energiatartalom. Vigyázni kell azonban arra, hogy az élelmiszereken a kalória ezerszerese, a kilokalória (kcal) szerepel, amit régebben nagykalóriának is hívtak: 1 kcal = 4,2 kJ, továbbá a címkéken az SI mértékrendszernek megfelelő joule egységnek is az ezerszerese, a kilojoule (kJ) van feltüntetve. Ha tehát egy fogyókúrázó azt határozza el, hogy naponta mindössze 1200 kalóriát fogyaszt az átlagos kalória helyett, akkor ez nagykalóriában, kilokalóriában értendő: 1200 kcal = 5040 kJ = J. Első pillanatra meglepő, hogy 5 millió joule napi energiafelvétel egy ember számára olyan csekély, hogy emellett fogyni kezd, vagyis testének tartalékait használja fel, lényegében elégeti zsírszöveteit. A hatalmas számérték akkor válik érthetővé, ha azt gondoljuk át, hogy testünk lényegében elégeti az elfogyasztott élelmiszerek nagy részét. Ez az égetés meglehetősen bonyolult biokémiai folyamatokkal történik 37 °C-os állandó hőmérsékleten, mégis lényegében "egyszerű" égetésről van szó.

12 Az élelmiszerek energiatartalmát így is mérik, tehát azt vizsgálják meg, hogy egységnyi tömegüket levegőben felhevítve, mennyi energia szabadul fel belőlük, vagyis mekkora az égéshőjük. Tekintsünk egy tipikus tüzelőanyagot, a kőszenet. A kőszén égéshője körülbelül , vagyis egy kilogramm szén elégetésekor mintegy 30 millió joule energia szabadul fel. A fogyókúrázó számára ennyi energia hat napra lenne elegendő, az átlagosan élő embernek ez három napra biztosítaná energiaszükségletét. Az élelmiszerek energiatartalma kisebb a kőszén égéshőjénél, de nem nagyságrendekkel, hanem annak fele és ötöde között mozog a legtöbb esetben (vannak persze kivételesen alacsony energiatartalmú élelmiszerek is). Így már érthetővé válik, hogy miért fogyasztunk el naponta közel egy kilogramm élelmiszert, ugyanis ekkora tömegben van elegendő energia számunkra. Érdekes, hogy közepes terhelés mellett az energiának körülbelül a felét fordítjuk fizikai munkára, míg a másik fele lényegében testünk melegítését szolgálja. A szellemi erőfeszítések energiaigénye szinte elhanyagolható.