rövid

BEVEZETÉS

Kirándulnunk kell a XVII. Század végére, és el kell gondolkodnunk azon, hogy a gőzgép fejlesztése miként vezetett be soha nem látott technológiai, gazdasági és társadalmi változásokat. Érdekes módon a korabeli mérnökök tökéletesítették a gőzgépeket, egyre hatékonyabbá téve őket, de senki sem tudta biztosan, hogy milyen fizikai elveket adtak meg az ilyen típusú gépek, sőt, a hő fogalma nem volt túl egyértelmű . A 19. század közepén ezek a kérdések némelyikre olyan válaszokat találtak, amelyeket manapság abszolút igazságnak tartanak, köszönhetően olyan tudósoknak, mint pl. James Prescott Joule és William Thompson akiket egyes szerzők kissé költői módon az energia felfedezőinek neveznek.

A következő sorok mentén elmélyülünk egy kicsit abban, amit úgy döntöttem, hogy "a termodinamika rövid történetének" nevezem.

A HŐ "REJTÉSE"

De jól, Mi a hő? Két nagy paradigma létezett, amelyek egy ideig fennálltak. Egyrészt, megvoltak azok a tudósok, akik azt hitték, hogy azok a kis részecskék, amelyek az anyagot alkotják, mozgásban vannak és másrészt azok a tudósok voltak, akik követték az elektromosság elméletét (18. század), amely a hőt "imponálhatatlan folyadékként" képzelte el, hasonlóan ahhoz, ahogyan annak idején az elektromosságot látták. A 18. század végén azonban Joseph Black, elismert skóciai orvos, fizikus és vegyész az újonnan kitalált hőmérő segítségével felfedezte, hogy egy test hőmérsékletét meg lehet mérni, de a hő nem járul hozzá ehhez . (Ez például akkor történik, amikor olvad a jég, mivel a leadott hő nagyrészt "el van rejtve", mert ha egy hőmérőt az olvadáshoz fűződő jégtömb mellé teszünk, akkor a blokk hőmérséklete továbbra is 0 ºC ).

1780-ban, Antonine-Laurent de Lavoisier és Pierre Simon Laplace, kifejlesztették a jég kaloriméter . Ezzel a "műtárgyval" megmérték a test által leadott hőt. Konkrétan igazolni tudták, hogy egy réz és egy másik, azonos tömegű és hőmérsékletű fa töredéke eltérő mennyiségű jeget olvadt meg.

Ugyanakkor az amerikai Benjamin Thompson (gyakran emlegetik Rumford grófjaként, a birtokolt nemesi cím miatt), aki Németországban dolgozott, azt hitte felfedezni, mi a meleg . Azt állította, hogy a hő az anyagot alkotó apró részecskék mozgása.

HŐ- ÉS MECHANIKAI MUNKA

Évekkel később, már teljesen a XIX, James Prescott Joule, Manchesteri születésű (város, amely akkor technológiai szinten világmércének számított), csodálkozva a gőzgépen, lehetősége nyílt egyikük alapos tanulmányozására, mivel családja, aki elkötelezte magát a söripar iránt, tulajdonosa egy. Hosszú idő után tanulmányozta az említett gépet, minden bizonnyal unta a témát. Ezért vonzotta őt egy másik fizikai jelenség: mechanikai munka előállítása mágnesességgel és elektromossággal .

Michael Faraday 1821-ben feltalálta az elektromos motort ez prototípusként szolgálna, amelyet évekkel később fejleszteni kell az iparban. Joule felfedezte, hogy a Faraday motornak mind gazdasági, mind pedig a termelési hatékonyság szempontjából kevés dolga van a meglévő ipari gőzgépekhez képest (túl sok cinket és cinkfolyadékot fogyasztott. Dobok). Mindazonáltal , Joule furcsa jelenséget figyelt meg: Az elektromos motor működése során az akkumulátor és az elektromos vezetők nagyon magas fűtést szenvedtek . Ez arra késztette, hogy vajon ez az oka a gyenge motorteljesítménynek. Ez a kétség arra késztette Joule-t, hogy néhány hónapig kísérleteket folytasson, amelyek alapvetően az elektromos áram különböző hosszúságú, vastagságú és anyagú fémhuzalokon történő átengedéséből álltak. Egyidejűleg mérte a termelt hőt, és nagyon érdekes következtetésre jutott, amelyet ma ismerünk Joule törvénye: "A termelt hő növekszik az elektromos vezető ellenállásával, az áram intenzitásának négyzetével és keringésének időtartamával".

Azonban egy másik tudós, aki csak most indult el, a skót William Thomson, vonzotta Joule nyomozásai. Joule-tól eltérően Thompsont némi hírnév előzte meg a természettudományi professzor pozíciója miatt a Glasgow-i Egyetemen (ezt a pozíciót fiatalon, 22 éves korában érte el). Thomsont mindig is érdekelte a hő története, sőt, kutatásai hosszú ideig a francia kutató által kézzel írt szövegek összeállítására összpontosítottak: Nicolas Léonard Sadi Carnot .

1822-ben Carnot elméletet tett közzé a gőzgépről. Carnotnak tetszett az az ötlet, hogy a gőzgépet összehasonlítsák a "víz erejével": ahogy a víz leesik egy bizonyos magasságból, malomkereket hajtva, gőzgépben a hő magasabb hőmérsékletről kisebbre áramlik, a víz- és hőmennyiséggel is hasonlatot vetett fel, mivel ahogy a vízimalomban is megegyezik a teljes vízmennyiség, a gőzgép hője sem változik. Carnot rámutatott, hogy egy bizonyos mennyiségű elnyelt hőt mindig újra kell szállítani a mechanikai munka elvégzése után. . Vagyis Carnot elmélete egy zárt hőkörön alapult, ahol a hő már jelen van, ezért nem kellett előállítani.

A kor más tudósai hasonló következtetésekre jutnának, többek között Rudolf Clasius és Julius Robert von Mayer . Valójában Clasius esetében már publikált valamit azzal kapcsolatban, amit ma "első elvként" ismerünk. De egyiknek sem volt Joule "szigorúsága" a kísérletezés szempontjából, vagy Thomson azon képessége, hogy kombinálja a különféle elméleteket.

A termodinamika fejlődése

De e történelmi áttekintés után még mindig nem tudjuk, mi a hő valódi természete. Térjünk vissza akkor a történelembe. Eleinte a termodinamika csak a mérhető mennyiségekre és a közöttük lévő kapcsolatokra összpontosított . Nos, ebben a tekintetben Joule egy kicsit előrébb lépett: átvette Rumford grófjának ötletét, aki ezt mondta a hő nem volt más, mint a testben lévő részecskék mozgása . Ez az ötlet egész életében kísértette, de más tudósok annyi tanulmánya és előrelépése után egyértelmű volt számára: ennek így kellett lennie . Több évtizeddel később a tudósok végül megmutatták, hogy Rumfordnak és Joule-nak is igaza volt.

Joule és Thomson mély barátságot kötött a tudományokkal, mint közös kapcsolatot . Számos kísérletet hajtottak végre. Az egyik abból állt, hogy megpróbálta kideríteni, hogy mi történt egy tartályban lévő bizonyos gáz hőmérsékletével, módosítva a rajta lévő nyomást. Ezeket a kísérleteket a brit kormány támogatta, és azokat nagymértékben finanszírozta. Felfedezték a ma ismert nevet Joule-Thomson-effektus. Ez arra a folyamatra vonatkozik, amelyben egy rendszer hőmérséklete csökken vagy növekszik, lehetővé téve a rendszer szabad terjeszkedését, miközben az entalpia állandó marad. Bár ez a hatás kísérletei során nagyon kicsi volt, nagy jelentősége lenne.

A 19. század végén Carl Von Linden egy kísérlet során ismételten alkalmazta a Joule-Thomson-hatást, amíg sikerült olyan alacsony hőmérsékletre hozni a levegőt, hogy folyékony lett. . Ezt az eljárást, amely eleve nem vonhatja magára a figyelmünket, ma a különböző gázok folyadékká történő átalakítására és tartályokban vagy palackokban történő tárolására használják.

Számos tudós, különösen Thompson és Joule közreműködése volt felelős azért, hogy ma a termodinamikát, mint a fizikai tudományág tudományágát tanulmányozzuk. Sajnos mindkét tudósnak nem ugyanaz volt a vége. Thomson, aki diadalmaskodott az akadémiai területen, és a királynőtől Lord Kelvin címet kapott, míg Joule szerény nyugdíjjal töltötte utolsó éveit, amelyet a királynő felfedezéseiért is kapott.

TERMODINAMIKA MA, JELENLEGI ÁLLAPOT ÉS KIHÍVÁSOK

2012-ben egy Luís Solórzano nevű venezuelai mérnök azt állította, hogy feltalált egy korlátlan energiájú motort, ezzel szakítva a termodinamika második törvényével. Valójában Miami laboratóriumában végzett kísérletei során azt állította, hogy a termodinamika második törvénye a legtöbb rendszerben működik, de nem mindenben, ezért nem nevezhető törvénynek. És a bizonyíték az övé volt profilú hőturbina . Anélkül, hogy elemezné a motor működését, Solorzano megerősítette, hogy: a mozgási energia, amelyet motorja képes előállítani, tízszer nagyobb, mint az azt elindító pengék mozgatásához felhasznált szélenergia. Azonban a vizsgálatok és az Egyesült Államokban a találmány szabadalmaztatásának elutasítása arra enged következtetni, hogy mindez egy átverés volt, amikor megpróbálták az eszközt "forgalomba hozni" az ipari piacon.

Valami hasonló történik a NASA által a közelmúltban kifejlesztett EmDrive motorral, de ez a cikk nem elég hosszú ahhoz, hogy mélyebben foglalkozzon a témával. E motor esetében azonban kevesen merik állítani, hogy a NASA megpróbál senkit becsapni. Az olyan elméletek, mint a kvantumvákuum vagy a mérési hibák, azok, amelyeket az említett eszköz működésének megértéséhez alkalmaznak.

2014-ben Jan Gieseler, Romain Quidant, Christoph Dellago, Lukas Novotny közzétett egy cikket, amelyben azt állította, hogy felfedezte, hogy egy ultravékony üregben elhelyezkedő nanorészecske képes volt ideiglenesen megsérteni a termodinamika második törvényét, miközben lézerfénysugárba került . A szerzők különösen azt állítják, hogy a befogott nanorészecske visszacsatolási paraméteres rendszer segítségével hűthető. Amikor a visszacsatolás megszakad, a részecske visszatér egyensúlyba (felmelegszik). Ennek során azonban hőmérséklete véletlenszerű utat követ, statisztikai ingadozásokkal. Néhány esetben a hideg nanorészecskéből a melegebb közegbe kerül a hő. A cikk teljesen igaznak tűnik, és megnyitja a kaput a termodinamika megértése elé, amelynek új jelenségeket kell tartalmaznia, esetleg kvantum jellegűeket? Az idő végül megmagyarázza.

Vegye figyelembe a furcsa kapcsolat a termodinamika és az Univerzum között: Végrehajtják-e benne a törvényeket? Az 1970-es években fizikusok Stephen Hawking és Jacob Bekenstein Rájöttek a fekete lyukak furcsa tulajdonságára: rájöttek, hogy ezeknek a tárgyaknak az entrópiája arányos volt az eseményhorizont területével, nem pedig annak belső térfogatával. Ez a cikk a laikus laikusok számára a Scientific American magazinban elmondta, hogy e tudósok következtetéseinek eredménye nagyon meglepő volt, mivel általában egy fizikai rendszer entrópiája számszerűsíti a mikroszkópos tudatlanság mértékét. részletek. Ezért egy fekete lyuk esetén azt lehetne várni, hogy az entrópia arányos legyen azzal a térfogattal, amelyhez egy külső megfigyelő nem fér hozzá, és nem a környező felülethez. Valójában ez a helyzet a hétköznapi termodinamikai rendszerekkel: például egy gázban az entrópia mindig arányos az általa elfoglalt térfogattal, nem pedig az ezt a térfogatot körülvevő felülettel. Miért van ez másként a fekete lyukak esetében?

Világos, hogy a termodinamika, mint a fizikai tudományokhoz és a kémiai tudományághoz hasonló, nem kezelhető abszolút tőlük elkülönítettként. A relativitás, a kvantumfizika és a részecskefizika megnyithatja az utat egy új termodinamika felé. Ez számos kérdést vet fel, a mai napig válasz nélkül: vajon egy új tudományos paradigmával állunk szemben? Hova vezet minket? Milyen gazdasági és társadalmi következményekkel jár ez az új fizika? ...

BIBLIOGRÁFIA

Bryson, Bill (2006): "Szinte mindennek rövid története." Első kiadás. Szerkesztői óceán.

Typler, Paul A. & Mosca, Gene (2010): „Fizika a tudomány és a technológia számára”. Hatodik kiadás. Szerkesztőségi Reverté.

Research and Science Magazine, különszám (2016): "A kvantumfizika határai".

A bejegyzés szerzője: Antonio José Lobato Alejano (Ipari szervezetmérnöki fokozat hallgatója)