A termodinamika XX. század elõtti magyar története
Martinás Katalin, ELTE
A termodinamika magyarországi története még a magyar fizikatörténeti irodalomban is feldolgozatlan terület. Arra törekedtünk, hogy nemcsak a mostani paradigmából visszatekintve jelentõs egyéni teljesitményeket vegyük figyelme, hanem a termodinamika fejlõdésének folyamatát is bemutassuk, a zsákutcákkal együtt.
Figyelemre érdemes, hogy az I. és a II. fõtétel a magyar fizikusok munkáiban nagyon hamar megjelent. A kémiai alkalmazások (Than) világszinvonalúak. A statisztikus fizika azonban késéssel jelent meg, ennek magyarázata lehet, hogy az önálló magyar iskolának tekinthetõ Szily - Farkas - Réthy munkássága a Clausiusi programot probálta megvalósítani, és csak Boltzmann korai munkáihoz kapcsolódtak. A statisztikus fizika sikere ezt a közelitést hamar háttérbe szoritotta.
Az alábbiakban közölt ismertetõ nem teljes, kérem a tisztelt olvasót, hogy ha termodinamika témájú dolgozattal találkozik, ismertesse velünk, hogy egy teljesebb kép állhasson rendelkezésünkre.
A. A korai termodinamikai gondolatok megjelenése:
Pázmány Péter - Az "Isteni igazságra vezetõ kalauz" címû mûve "A levegõég és vízek csudái" fejezetében a következõket írta:
"Mikor a teli fazék forró víz párája megütközik a födõben, és apró cseppekké sürûsödik; mikor rózsavízet vésznek, vagy égetett bort csinálnak: a nedvességnek gõzölgõ párája felemeltetvén a melegségtõl, megütközik, meghidegedik, megsûrûdik, és azután cseppenként alászivárkozik. Hogy esõk, ezen formán, cseppenként esnének, Isten a levegõégnek középsõ részét hidegen teremtette; ...Ebben Istennek két csudáját látom: Elsõt, hogy noha a naphoz közelebb vagyon a levegõégnek középsõ, hogysem alsó része, mégis hidegebb a középsõ része. Másikat, hogy nem szakad egyszersmind alá az esõ, hanem cseppenként esik."
A Clausius elötti preklasszikus termodinamika fogalomrendszerének nagyszerû összefoglalását kaphatjuk meg Jedlik Ányos "Hõtan"-ából, annak ellenére, hogy az anyag nem befejezett. A kéziratot Liszi János rendezte sajtó alá, és látta el magyarázó jegyzetekkel.
Jedlik a hõt nem tartja anyagnak, hanem az éter rezgésének:
"A'természettan jelen állapotában azonban a'meleg anyagok közé nem soroltatik, hanemaz egész világon elterjedett lebegény (:aether) valamivel nagyobb hullámu rezgésének állítatik, mint a'minõ a'világosság származására szükséges." (p.8)
A könyv tartalmazza a hõmérõket, a hõkapacitás mérését, a hõterjedést, a halmazállapot változásokat, és a meleg forrásait, ezek:
1. "Földgömbünk maga egy meleg forrás gyanánt tekinthetõ ... a hévmérsék minden 100 lábbal nagyobb mélységben 1 °C-al növekszik" (p.124),
2. "A föld színén uralkodó hévmérséknek fõ kutforrása a nap" (p. 126)
3. "..hévforrások ... mellyek által ámbár szûkebb határok között, jelentékeny hõség eszközölhetõ...surlódás, Anyagsûrítés, Nedvesítés és Elnyeletés, Vegyesûlés, Életerõ mûködése, és Villámfolyam." (p.130)
Liszi véleménye szerint a könyv kémiai termodinamika, kivéve annak kémiai reakciókkal foglalkozó részét.
B. A termodinamika fõtételeinek magyarországi elterjedése
A termodinamika kiegyezés utáni fogadtatását, szerepét két idézetettel illusztráljuk:
"Századot, melyben a tudomány oly általános, oly mindenre kiterjedõ befolyást gyakorolt volna, mint a jelenben, nem találunk a világtörténetben"
" A legújabb keletû nagy felfedezések: az erély megmaradásának elve, a világ erélyének folytonos disszipációja, az égi physika analógiái, kapcsolatban a színkép-elemzéssel, Darwin tana, földünk õstörténelmének tanúságai stb. nem azért keltik föl az általános figyelmet, mintha belõlük közvetlenül, vagy csak közvetve is anyagi hasznot lehetne reményleni, hanem..a tudomány ismét egy új vezérfonálra akadt, ...amely ha közvagyonná válik... új korszakot fog nyítni az emberiség történelmében."
A magyar termodinamikai élet nagyon gyorsan magábaszívta az új eredményeket:
Az I. fõtétel megjelenése
Matematikai értekezések, Pest, Eggenbergerger Ferdinánd M. Tud.Akad. könyvárus, 1867 p.1-20.
A székfoglaló elõadás témája: "A test állapota hõtani tekintetben, meghatározottnak tartandó, ha a p,t,v állapotjelzõk közül bármelyik kettõ ismeretes. A harmadik, valamint maga a test állapota is, egyjelentésû függvénye a független változóul választott két állapot jelzõnek. Mennyivel általánosabb az x,y választás, mint a konkretizálás."
Az írás a hõ fogalom fejlõdésének történeti áttekintését adja Arisztotelésztõl Joule-ig. A hõfogalom XIX. századi fejlõdésérõl a következõket írta:
"Lássunk néhány ily mély gondolkodású fõt, mintegy bevezetésül azon hatalmas mozgáshoz, mely 1848-ban a politicai eszmék társaságában, mint ezek édes testvére indult meg az irodalomban, s azóta ernyedetlen munkássággal érleltetik." (p.1)
A hõ-munka kapcsolatról azt írja, hogy Davy, Rumford és Joule kísérletei alapján:
".. kiderült végre, hogy egyenlõ munkának -fordítassék ez gázok összenyomására vagy villamfolyam elõállítására -mindig egyenlõ hõmennyiség felel meg...Egyhõ feldolgoztatván annyi munkát hoz létre, a mennyi épen szükséges az egyhõ kifejtésére. E szerint a meleg egy sajátos mozgás eleven ereje" (p.6)
Az I. fõtétel ismertetése
II. fõtétel megjelenése
A II. fõtétel a XIX. századi magyar kutatásokban három ember nevéhez köthetõ: Szily Kálmánhoz, Farkas Gyulához és Réthy Mórhoz.
Szily Kálmán
Élete:
Szily Clausiusnál dolgozott. Dolgozatai megmutatják, hogy ismerte, értette a termodinamika fõtételeit.
Ez egy olyan népszerûsitõ ismertetése a II. fõtételnek, ami ma is megállja a helyét.
A III. fõtétel: "..274 C fok - ily alacsony hõmérsék azonban nem létezhetik sehol; mert ha valamely test mérséklete csak egy ezredrész fokklal állna alább -274 foknál, úgy melegségi erélyt teremteni lehetne a semmibõl. Ez pedig törvényszegés lenne". p. 386
Lényegében Szily-t követi, emlités nélkül.
Farkas Gyula
Élete:
1947. március 28-án született a Fejér megyei Sárosdon, régi, de már elszegényedett nemesi családból. Apja uradalmi intézõ volt Pusztasárosdon. A család késõbb Gyõrbe költözött. Farkas Gyula a középiskolai tanulmányait a gyõri bencés gimnáziumban végezte. Zongorázni tanult és zeneelméleti cikkei jelentek meg (szerepel a Zenei lexikonban).
1866-ban a pesti tudományegyetem jogi karára íratkozott be, de felvételizett a felsõbb zongoraiskolába is. A társait tehetségesebbnek találta magánál, ezért nem folytatta zongoratanulmányait, habár koncerteket továbbra is adott Tolnán, Székesfehérvárott és Nizzában is. Apja tönkre ment, ezért megszakította tanulmányait. Házitanító lett. Elõszõr vidéken, majd Pesten. Jedlik Ányos hatására érdeklõdése a fizika felé fordul, átiratkozik a természettan-vegytan szakra.
1870-74 a székesfehérvári reáltanoda tanára. Szaktárgyai mellett zeneoktatást is szervezett. Fizika könyvet írt a népiskolák számára. 74-ben hetilapot alapított Székesfehérvári Figyelõ címmel. A lap kritikus szelleme miatt távozni kényszerült.
1874-80 házitanító gróf Batthány Geiza gyermekei mellett. A gróf fizika szertárat rendezett be, és a családdal utazhatott Olaszországba, Franciaországba. Ekkor került kapcsolatba Hermite, Villarceau és más matematikusokkal, akiknek hatására érdeklõdése a matematika felé fordult.
1881-87 Batthány gróf támogatásával a matematikai kutatásaival foglalkozik. 1881-ban matematikából doktorált, majd magántanári képesítést nyer komplex függvénytanból. A pesti egyetem matematikát, függvénytant tanít.
1887 a kolozsvári egyetem elmélete fizikai tanszék vezetõje lett.Hétszer volt az egyetem dékánja és egyszer a rektora. Az õ révén került Kolozsvárra Fejér Lipót, Riesz Frigyes és Haar Alfréd. Ortvay Gyula a kolozsvári egyetemen Tangl Károly tanársegéde volt a Kisérleti Fizika tanszéken, de nem szerette a kisérleteket. Farkas Gyulánál tartott elméleti kurzusokat, és Farkas Gyula nyugdíjaztatása után õ vette át a tanszék vezetését.
Közéleti tevékenysége: Az Erdélyi Múzeumegyletben a természettudományi szakosztály elnöke. Résztvett a "Mathematikai és Physikai Társulat" megalapításában. Padovában 1892-ben tartott Galilei ünnepségeken az egyetem küldötte. Diszdoktorrá avatták.
A Bolyai életmû népszersítûésében is kiemelkedõ érdemei vannak. Az xm=a+x egyenlet Bolyai Farkas által adott iterációs megoldását õ nevezte el Bolyai-algoritmusnak. Farkas Gyula mondta az ünnepi beszédet a Bolyai János szülõházán elhelyezett emléktábla avatásán, és õ képviselte az Akadémiát a Bolyai síremlék avatásán.
1898-ban az MTA levelezõ, majd 1914-ben rendes tagja. 1915-ben nyugdíjaztatta magát és Budapestre költözött. 1930 december 27-én halt meg Pestszentlõrincen.
Farkas Gyulát tanárának tekintette Ortvay Rudolf, Gyulai Zoltán, Károly J. Irén, Kacsóh Pongrác. Elõadás jegyzeteit ma is élvezettel lehet forgatni. (Litografálva adta ki õket.) Elõadásai az egész elméleti fizikára kiterjednek. Fogalmazásuk rendkívül precíz és tömör. Nem jelentenek könnyû olvasmányt egy kezdõ számára.
"A mechanika alaptanai" és az "Analytikus mechanika" c. elõadásaiban a pont és merev rendszerek mechanikáját tárgyalja a Fourier-elv alapján. Az "Erõtan"-a potenciál elméletét és a stacionárius elektromos áramok tanát tartalmazza. "Az energia átalakulása" a termodinamikát, míg az "Energia terjedése" continuum mechanikát igen általános feltevésekkel, a Fourier-féle elv kiegészítve a termodinamika fundamentális egyenlõtlenségével. Ez a kötet tárgyalja az elektrodinamikát és a relativitás elméletet is.
1887-93 a fizikába való behatolás idõszaka. Aktuális fizikai és kémiai problémákkal foglalkozik. A fenomenologikus irányzat következetes képviselõje. A legjelentékenyebb termodinamika dolgozata a Mathematikai és Physikai Lapokban 1895-ben magyarul és németül (Naturwissenschaftliche Berichte aus Ungarn) jelent meg,
A dolgozat célja a termodinamika II. fõtételének olyan levezetését megadni, amely mentes a speciális feltételezésektõl, pl. a körfolyamatoktól. Farkas a következõ alaptételt állította fel:
"Adiabatikusan, azaz pusztán mechanikai mûveletekkel egy test vagy testrendszer sem juttatható oly állapotba, amelybe puszta hõközléssel, azaz hõnek be- vagy kivezetése folytán a hõnek megváltoztatásával juthat."
Kimutatta, hogyha ez nem teljesül akkor ellentmondásba jutunk a Clausius-féle posztulátummal, amely szerint magasabb hõmérsékletõ helyre alacsonyabb hõmérsékletû helyrõl nem megy át hõ spontán folyamatban.
Felhívta a figyelmet arra, hogy a
Q = dE + Ada + Bdb +. . .
elemi hõközlést meghatározó Pfaff-féle differenciál kifejezésnek nincs mindig integráló osztója. Megmutatta, hogy alaptétele teljesülése biztosítja az integráló osztó létezését.
W. Voigt az integráló osztó létezését magától értetõdõnek vette. Ez a dolgozat érdeklõdést keltett. W. Voigt a könyvének új kiadásában hivatkozott Farkas cikkére, de csak azt emelte ki, hogy a Pfaff-formának 3 vagy több változós esetben nincs mindig integráló osztója. Maga Farkas Gyula így írt errõl:
"Észrevehetõen emelkedett itthon tudományos hitelem, midõn 1896-ban megjelent az akkor nagyhírû göttingeni professor Woldemár VOIGT Mathematische Physik-jének második kötete."
Farkas Gyula ismerte Gibbs munkáit, így az akadémiai székfoglalójának témája az egyensúlyi állapot stabilitása volt.
Ismerte és használta az entrópiaprodukció fogalmát. (Nem ezzel a névvel!). Megmutatta, hogy a kvázisztatikus közelítés valóban használható elvileg, mivel az entrópia növekedés a folyamat sebességében kvadratikus, így lassú folyamatokban tetszõlegesen kicsinnyé tehetõ.
Hivatkozások Farkas Gyulára:
Benedek András: Farkas Gyula (diplomamunka), Budapest, 1986.
Császár Ákos: Magyar származású matematikusok hozzájárulása a matematika fejlodéséhez, in.: Ágoston Mihály (szerk.): Válogatás a Magyarok a világ természettudományos és mûszaki haladásában címû konferencia elõadásaiból, Bp., 1987, 48.
Fényes Imre: Megjegyzések és kiegészítések a mechanika elveinek Farkas Gyula-féle tárgyalásmódjához, Fizikai Szemle, 4. 102. 1954.
Filep László: Farkas Gyula élete és munkássága, Matematikai Lapok, 1980, p. 231.
GrattanGuiness, I. (ed.): Companion Encyclopediae of the Mathemathical Sciences London, 1994, II. 829.
Horváth József: Termodinamika, 1961. Tankönyvkiadó, Budapest.
Kuhn, H.W., Tucker, A.W., Nonlinear Programming, Proc. of Second Berkeley Symposium onmathematical Statistics and Probability, (szerk. J. Neumann), Univ. of California Press, Berkley, 1951.magyarul: William J. Baumol, Közgazdaságtan és operációanalizis, 182-185. oldal, KJK, Budapest, 1968.
Martinás Katalin: Farkas Gyula (1847-1930), Fizikai Szemle, 1992/8, 299.
Ortvay Rudolf l. t. gyászbeszéde Farkas Gyula r. t. ravatalánál 1930. december 29-én, Akad. Ért., 1931, 131.
Ortvay Rudolf: Farkas Gyula emlékezete, A MTA elhunyt tagjai fölött tartott emlékbeszédek, XXI. kötet, 15. sz. 1933.
Prékopa András: Az optimalizáláselmélet kialakulásának történetérõl, Alkalmazott Matematikai Lapok, 1978/4.
Radnai Gyula: Az Eötvös Korszak. Fizikai Szemle, 30. 10. 1990.
Woldemar Voigt: Mathematische Physik, I. Kötet, 1896.
Kémiai és alkalmazott termodinamika
Than Károly
1834-1908
Természettudományi közlöny, XI. 468. füzet, 1908, 441-452. Részletes elemzás T.K. tudományos és tudományszervezõ tevékenységérõl.
Serdülõ korában résztvett a szabadságharcban. A bécsi egyetemen gyógyszerészetet tanult (Redtenbacher-nál), a doktori oklevél megszerzése után állami ösztöndíjjal Heidelbergbe ment (Bunsen, Kirchof és Helmholtz)
1860-ban a pesti egyetemen a magyar nyelv visszanyerte jogait, és ekkor meghivták a Kémiai tanszeék helyetteséül.
Az atomos szerkezetet igazaló kisérletek elõadása, és bemutatása.
A párolgásos hûtés elvei, és gyakorlati megvalósitásuk (Carré és Kopf féle jéggépek..
Az a könyv Than Károly elõadását tartalmazza amelyet a "Markusoszky-féle egyetemi jubiláris elõadások" keretében 1903-ban tartott.
Ez egy mai mércével mérve is XX. századi termodinamika. A könyv elsõ fejezete a gázok törvényei, az elektrolizis törvényei és a tömeghatás törvénye - az általános kémiai kisérleti eredményeit, fogalmait ismerteti. Az utolsó két fejezet az energia megmaradásának törvénye és az energia átalakulásának törvénye címet viseli. Itt az energetika alapján vezeti le a kémiai törvényeket.
A kinetikus gázelméletet Clausius modellje alapján használja.
A kémiai folyamatokat a Helmholtz-féle szabadenergiával, és szerepel benne a Gibbs-féle fázis szabály.
Thán Károly ismeretinek modernségérét illusztrálja a befejezés. Itt a rádioaktivitásról beszél. A rádioaktiv átalakulásokból.."nézetük szerint az következnék, hogy az, mit eddig anyagnak tartottunk, nem más, mint óriási mértékben kondenzált energia". p 208.
Olszewski He cseppfolyósitása