Laplace

Lavoisier

Ez az értekezés azoknak a hôvel folytatott kísérleteknek az eredménye, amelyeket de Laplace úrral együtt végeztünk a múlt télen; az akkori mérsékelt hideg miatt nem volt módunk több kísérletre. Eleinte úgy gondoltuk, semmit nem adunk közre errôl a tárgyól, amíg egy hidegebb télen nem ismételhetjük meg a kísérleteket a lehetô legnagyobb gonddal, és nem végezhetünk további vizsgálatokat. Mégis úgy döntöttünk, hogy a nyilvánosság elé tárjuk a munkát, bár korántsem tökéletes, mert módszerünk a hôelmélet hasznára lehet, és mert pontossága és széleskörû alkalmazhatósága miatt más tudósok is felhasználhatják, akiknek Európa északi részein olyan telekben lehet részük, amelyek kedveznek az efféle kísérleteknek.

Az értekezést négy részre osztjuk. Az elsôben új módszert írunk le a hô mérésére. A másodikban a módszer birtokában végzett legfontosabb kísérletek eredményeit ismertetjük. A harmadikban az eredményekbôl eredô következtetéseket vizsgáljuk meg. Végül a negyedik részben az égést és a lélegzést tárgyaljuk.

Bármi váltja is ki a hôérzetet, ez az ok képes a növekedésre és a csökkenésre, s ezért kvantitatív módon kezelhetô. Úgy tûnik, az ókoriaknak nem jutott eszükbe, hogy megmérjék ezeket a relatív értékeket, és csak a múlt században dolgoztak ki mérési módszereket. Abból az általános megfigyelésbôl kiindulva, hogy a hô a testek, különösen a fluidumok térfogatát kisebb-nagyobb intenzitással, érzékelhetô módon megváltoztatja, térfogatváltozás mérésére alkalmas mûszereket készítettek. Századunk számos természettudósa jelentôsen tökéletesítette ezeket a mûszereket, akár úgy, hogy pontosan meghatározta a hômérséklet egyes fix pontjait, például a víz fagyáspontját és forráspontját adott légnyomáson, akár úgy, hogy olyan fluidumokat keresett, amelyek térfogatváltozásai a leginkább arányosak a hômérséklet változásaival, s így már csak biztos módszerre van szükségünk a szélsô hôfokok meghatározásához.

Azok a törvények azonban, amelyeket a hô a testekben szétáramolva követ, korántsem ismertek kellô pontossággal a hôközléssel és a nem egyenlô hômérsékletû testeket tartalmazó rendszerek hôhatásaival kapcsolatos problémák tárgyalásához; különösen igaz ez akkor, ha a testek széthullanak és alkotóikból új vegyületek keletkeznek. Számos kísérlet tanúsítja, hogy amikor a testek szilárdból folyékony és folyékonyból gôz állapotúak lesznek, nagy mennyiségû hô nyelôdik el – vagy azért, mert a hô ezzel az átalakulással jár, vagy azért, mert az anyag hôtárolási kapacitása nô. Ezenkívül megfigyelést nyert, hogy ugyanazon a hômérsékleten különbözô anyagok azonos térfogata nem tartalmaz azonos mennyiségû hôt, és az anyagok között sûrûségüktôl föggetlen különbségek is vannak ebben a vonatkozásban. Különbözô anyagok relatív hôkapacitása is ismertté vált a kísérletek folytán, s minthogy a Föld felszínének leghidegebb testei sincsenek teljesen hô híján, néhányan megpróbáltak összefüggést keresni az abszolút hô és a hômérô skáláján leolvasott változások között. De mindez a becslés, bármilyen elmés is, olyan feltevéseken alapszik, amelyeket sok kísérlettel kell alátámasztani.

Mielôtt továbblépnénk, pontosan meg kell állapodnunk abban, hogy mit értünk a testek szabad hôjén, hôkapacitásán vagy fajhôjén.

A tudósok véleménye megoszlik a hô természetét illetôen. Sokan úgy vélik, a hô fluidum, amely szétoszlik a természetben, és aszerint járja át a testeket többé-kevésbé, hogy milyen a hômérsékletük és mennyire képesek a hôt megtartani. A hô képes a testekkel egyesülni; ebben az állapotban nem hat a hômérôre s nem halad tovább egyik testtôl a másikig. Csak szabad állapotban juthat egyensúlyra a testek között; ez az, amit szabad hônek nevezünk.

Más tudósok úgy vélik, hogy a hô csak az anyagot alkotó részecskék észrevehetetlen mozgásának eredménye. Tudjuk, hogy még a legsûrûbb testek is számos pórust vagy apró üres teret tartalmaznak, amelyek térfogata jelentôsen meghaladhatja a testekbe foglalt anyag térfogatát. Ezeknek az üres tereknek köszönhetô, hogy az észrevehetetlen részecskék minden irányban szabadon rezeghetnek. Természetes gondolat, hogy ezek a részecskék állandó mozgásban vannak, amely egy bizonyos ponton túl széttörheti a részecskéket és így felbonthatja a testet. Ezek szerint a tudósok szerint ez a belsô mozgás alkotja a hôt.

Ennek a hipotézisnek a kifejtéséhez rá kell mutatnunk arra, hogy minden olyan mozgás során, amely nem jár hirtelen változással, általános törvény érvényesül; ezt a matematikusok a vis viva [elven erô, mozgási energia] megmaradási elvének nevezik. Ez a törvény azt állítja, hogy egy olyan rendszerben, amelyben a testek bármilyen módon hatnak egymásra, a vis viva, vagyis az egyes tömegek és sebességnégyzetek szorzatából képzett összeg állandó. Ha a testekre gyorsító erôk hatnak, a vis viva a mozgás kezdetekor meglévô érték plusz a gyorsító erôk hatására kialakuló sebességnégyzetek és a tömegek szorzatának összege. A most vizsgált hipotézis szerint a hô a testet alkotó részecskék észlelhetetlen mozgásaiból származó vis viva - az egyes részecskék tömege és sebességnégyzete szorzatából képezett összeg.

Ha két különbözô hômérsékletû testet érintkezésbe hozunk, az egymással közölt mozgásmennyiségek elôször nem azonosak; a hidegebb vis vivája ugyanakkora mennyiséggel nô, mint amekkorával a másiké csökken; ez a növekedés addig tart, ameddig a testek egymással közölt mozgásmennyiségei azonosak nem lesznek. Ebben az állapotban a testek hômérséklete egyenlôvé válik.

Ez a hôfelfogás könnyen megmagyarázza, hogy a napsugarak közvetlen beesése miért nem detektálható, noha a sugarak nagy hôt termelnek. A sugarak impulzusa tömegük és sebességük szorzata. Bár ez a sebesség rendkívül nagy, a tömeg olyan kicsi, hogy szorzatuk majdnem nulla, míg a vis viva a tömeg és sebesség négyzetének a szorzata, ezért a vis vivának megfelelô hô sokkal nagyobb, mint a közvetlen ütközés hatása. A fényt bôségesen visszaverô fehér testtel az ütközés erõteljesebb, mint egy fekete testtel, a napsugarak mégis kevesebb hôt adnak át az elôzônek, mert a visszavert sugarak magukkal viszik vis vivájukat, míg a fekete test elnyeli a sugarakat.

Nem kívánunk dönteni a két hipotézis között. Egyes jelenségek az utóbbinak látszanak kedvezni; ilyen például a két szilárd test súrlódásából keletkezô hô. Más jelenségek azonban az elsô hipotézissel magyarázhatók meg egyszerûbben. Talán egyszerre érvényesül mindkettô. Bármi legyen is a helyzet, miután a hô természetére csak ez a két hipotézis hozható fel, a mindkettôben közös elveket kell elfogadnunk. Bármelyikbôl indulunk is ki tehát, a testek egyszerû keverékében a szabad hô mennyisége mindig ugyanaz marad. Ez nyilvánvaló, ha a hô olyan fluidum, amely egyensúly elérésére törekszik, és akkor is, ha csak az a vis viva, amely az anyag belsô mozgásának eredménye, ahol a szóban forgó elv a vis viva megmaradásából következik. A testek egyszerû keverékében a szabad hô megmaradása tehát a hô természetére vonatkozó összes hipotézistôl független. Ezt a tudósok általában elfogadják, és a következô vizsgálatokban mi is alkalmazni fogjuk.

Ha a hô fluidum, a különbözô anyagok vegyülésekor egyesülhet velük vagy felszabadulhat belôlük. Semmi nem utal tehát arra a priori, hogy a szabad hô a vegyülés elôtt és után ugyanannyi; továbbá semmi nem mutat arra a hipotézisben, hogy a hô csak a testek részecskéinek vis vivája, hiszen a vegyülô anyagok kölcsönös affinitásaik révén hatnak egymásra, részecskéikre vonzóerôk hatnak, amelyek megváltoztathatják a részecskék vis vivájának mennyiségét, s így hômennyiségüket is. De el kell fogadnunk, hogy a két hipotézisben közös a következô elv:

Ha a szabad hô bármely vegyülés vagy állapotváltozás során csökken, ez a hô teljes mértékben újra megjelenik, ha az anayok visszatérnek eredeti állapotukba; és megfordítva, ha a szabad hô vegyülés vagy állapotváltozás során nô, az új hô eltûnik, ha az anyagok visszatérnek eredeti állapotukba. Ezt az elvet kísérlet támasztja alá, és a késôbbiekben a salétrom robbanása látható bizonyítékkal is szolgál majd. Az állítást tovább általánosíthatjuk, és az összes hôjelenségre is kiterjeszthetjük a következô módon: Minden – akár valódi, akár látszólagos – hôváltozás, amelyet a testek rendszere állapotváltozás során elszenved, ellentétes értelmûvé válik, ha a rendszer visszatér eredeti állapotába. Amikor a jég vízzé alakul át, a víz pedig gôzzé, a hômérô igen jelentôs mennyiségû hô eltûnését mutatja, de a hô újra megjelenik, ha a víz jéggé fagy és a gôz kondezálódik. Az elsô hipotézist általában úgy alakíthatjuk át a másodikká, hogy a szabad hô, az egyesülô hô ésa fejlôdô hô kifejezéseket a vis viva, a vis viva csökkenése és a vis viva növekedése kifejezésekkel helyettesítjük.

Miután nem ismerjük a hô természetét, csak hatásait figyelhetjük meg gondosan. Ezek közül a legfontosabbak a testek tágítása, folyadékká és gôzzé alakítása. A hatások közül ki kell választanunk egy olyat, amelyet könnyû mérni, és amelyik arányos az ôt elôidézô okkal. Ez a hatás ugyanúgy reprezentálja majd a hôt, mint ahogy a dinamikában a tömeg és a sebesség szorzata az erôt, bár nem ismerjük azoknak a változásoknak a természetét, amelynek révén a testek a térben újabb és újabb pontokhoz érnek el. A hôt rendszerint a folyadékok, fôként a higany tágulásával mérjük. Ennek a folyadéknak a tágulása – de Luc úr érdekes kísérletei szerint – igen jó közelítéssel arányos a hôvel a jég fagyáspontja és a víz forráspontja közötti tartományban; távolabbi hôfokokon más törvénynek engedelmeskedhet. A következôkben egy másik hôhatást is megemelítünk, amely a hô intenzitásától függetlenül mindig arányos a hôvel.

Olyan higanyos hômérôt fogunk használni, amely nyolcvan egyenlô részre van osztva a jég olvadáspontjától a víz forráspontjáig; az értékek 28 higanyhüvelyk légnyomásra vonatkoznak. Minden osztás egy fokot jelöl, a fokok kezdôpontja, vagy a hômérô nullpontja, a jég olvadáspontja, tehát ez alatt a fokokat negatívnak kell tekinteni. Képzeletben a hômérô skáláját mind a nulla fokon, mind a víz forráspontján túl a végtelenig meghosszabbítjuk, és a hôvel arányosan osztjuk fel. Ezek az osztások, amelyek 0 és 80 fok között csaknem egyenlôek, jelentôsen eltérhetnek a skála távoli részein. De minden fok mindig állandó mennyiségû hôt mér.

Vegyünk két azonos tömegû, azonos hômérsékletû testet. Elképzelhetô, hogy a testek egy foknyi felmelegedéséhez szükséges hô nem azonos a két esetben. Ha azt a hômennyiséget, amely egy font tiszta víz hômérsékletét egy fokkal emeli meg, egységnyinek tekintjük, könnyû belátni, hogy a különbözô testek minden más hômennyisége ezzel az egységgel kifejezhetô. A következôkben hôkapacitásnak vagy fajhônek nevezzük azokat a relatív hômennyiségeket, amelyek azonos tömegek hômérsékletét azonos számú fokkal emelik. Ezek az arányok mások lehetnek különbözô hômérsékleteken; ha például azok a hômennyiségek, amelyek egy font vas és egy font higany hômérsékletét 0-ról 1 fokra emelik, úgy arányalanak egymáshoz, mint 3 az 1-hez, azoknak a hômennyiségeknek, amelyek ezeket az anyagokat 200-ról 201 fokra melegítik, nagyobb és kisebb is lehet az arányuk. De feltételezhetjük, hogy ezek az arányok csaknem állandóak 0 és 80 fok között; a kísérletek legalábbis nem mutattak érzékelhetô különbségeket ebben a tartományban. A különbözô anyagok fajhôjét ebben a tartományban fogjuk meghatározni.

...