Pierre-Simon Laplace
(1749–1827)
Értekezés a hôrôl
Részletek
Mémoire sur la chaleur. Lu à l'Académie Royale des Sciences, le 28 Juin 1783. Par Messrs. Lavoisier et de La Place, de la même Académie
(in: Memoir on Heat. Read to the Royal Academy of Sciences, 28 June 1783, by Messrs. Lavoisier et de La Place, of the same Academy, Neale Watson Academic Publication, New York, 1982)
NEGYEDIK RÉSZ
Az égésrõl és a lélegzésrõl
Laplace |
Lavoisier |
[Az ábrán] M nagy, higannyal tele edényt jelöl; erre helyeztük a B üvegbúrát, amelybe oxigént töltöttünk. Ez a gáz nem volt tökéletesen tiszta; 19 része tartalmazott 16 rész oxigént, és térfogatának kb. 1/57 része kötött levegõ volt. Az üvegbúra alá tettük a kis C agyagedényt, melyet finom faszénnel töltöttünk meg; a szenet elõzõleg erõs hõvel szabadítottuk meg a gyúlékony gáztól [hidrogéntõl] ... A faszén fölé egy kis taplót tettünk, erre pedig egy foszfordarabkát, súlya nem lehetett több 1/10 granumnál.* Az agyagedényt a tartalmával együtt nagyon gondosan lemértük; majd a levegõt addig szivattyúztuk ki, hogy a higany az E szintig emelkedjék az üvegbúrában, s így a szén égesekor keletkezõ levegõ ne süllyessze a higany szintjét jóval a külsõ tartályban levõ higanyszint alá, amitõl az üvegharang alatti levegõ kiszökhet. Ezután egy vörösen izzó vassal, amelyet gyorsan áttoltunk a higanyon, meggyújtottuk a foszfort, ez lángra lobbantotta a taplót, s ettõl a faszén is tüzet fogott. Az égés 20–25 percig tartott, és amikor a faszén elhamvadt s a búra levegõje légköri hõmérsékletre hûlt, E'-vel jelöltük meg azt a helyet, ameddig a higany emelkedett a benti levegõ térfogatának csökkenése folytán. Ezután egy kevés lúgot vezettünk be a harang alá; az összes kötött levegõ elnyelõdött, és a folyamat lezajlásához szükséges idõ elteltével, amikor a higany már nem emelkedett tovább a búrában, E'-vel jelöltük meg a lúg felszínének magasságát. Az E, E', E'' pozíciók esetén gondosan feljegyeztük, hogy a higany szintje milyen magasan állt a tartálybeli szinthez képest. Egy üvegcsõvel légköri levegõt engedtünk be az üvegharang alá, és a higany a külsõ tartályban levõ higannyal egyezõ szintre süllyedt. Ezután kivettük a C edényt, megszárítottuk és nagyon pontosan lemértük. Súlyvesztesége elárulta az elégett szén mennyiségét. A kísérlet alatt a külsõ hõmérséklet alig változott, a barométer körülbelül 28 higanyhüvelyken állt.
Az EBD, E'BD', E''BD'' térben tartalmazott levegõ térfogatának meghatározásához vizet töltöttünk a búrába a megfelelõ szintekig, és a meghatározott súlyokból köbhüvelykben kaptuk meg a kérdéses térfogatokat. Miután a búrabeli levegõre különbözõ nyomások hatottak, mert a búrában eltérõ volt a higany szintje, a levegõ térfogatát minden esetben a 28 higanyhüvelykes nyomásnak megfelelõ értékre számoltuk át. Végül a kísérleti eredményeket úgy alakítottuk át, hogy 10 fokos külsõ hõmérsékletnek megfelelõ adatokat kapjunk, felidézve, hogy 10 fok körüli hõmérsékleten a levegõ egyfokos hõmérséklet-emelkedés hatására térfogatának 1/215-szörösére tágul. Tehát az alább felsorolandó gázokat 10 fok hõmérsékletûnek és 28 higanyhüvelyk nyomásúnak kell tekinteni.
Az elõzõ kísérletben 202,35 köbhüvelyk oxigénbõl indultunk ki. Egyedül a szén égése 170,59 köbhüvelykre csökkentette ezt a mennyiséget, és miután a kötött levegõt elnyelte a lúg, nem maradt 73,95 köbhüvelyknél több levegõ. Az elégett szén mennyisége, a hamutól eltekintve, 17 2/10 granum volt; a foszfor és a tapló súlya együtt fél granum lehetett. Számos kísérletben tapasztaltuk továbbá, hogy a faszénbõl keletkezõ hamu súlya körülbelül 10 granum unciánként. Megállapíthatjuk tehát, hogy ebben a kísérletben körülbelül 18 granum szén fogyott, a hamut is beleértve.
Az általunk használt oxigén körülbelül 1/57 térfogatnyi kötött levegõt tartalmazott; a víz, amely fölött több hónapig tartottuk, ezt a mennyiséget nem nyelte el. A kötött levegõ erõs ragaszkodása az oxigénhez arra enged következtetni, hogy miután a kísérleteinkben a kötött levegõt lúggal elnyelettük, a levegõ még mindig tartalmazott egy kevés kötött levegõt, amelynek térfogatát, elfogadható hibával, 1/57 résznyinek tekinthetjük. A szén által felemésztett oxigén teljes térfogatát úgy kaphatjuk meg eszerint a feltevés szerint, hogy képezzük a levegõ égés elõtti és lúggal való elnyeletése utáni térfogatának különbségét, s az eredményt 1/57 résszel csökkentjük. Hasonlóan, ha ugyanezt a mennyiséget kivonjuk a lúg által elnyelt levegõ térfogatából, megkapjuk az égés során keletkezõ kötött levegõ térfogatát. Azt kapjuk tehát, hogy egy uncia szén égése 4037,5 köbhüvelyk oxigént fogyaszt és 3021,1 köbhüvelyk kötött levegõt termel. Ha az elfogyasztott oxigén mennyiségét egységnyinek tekintjük, az égés után térfogata 0,74828-ra csökken.
Ahhoz, hogy az oxigén és a kötött levegõ térfogatait súlyokként adjuk meg, ismernünk kell mindkét gáz egy köbhüvelykjének súlyát. Az oxigén kissé nehezebbnek találtatott a légköri levegõnél, az arány közelítõleg 187/185. A légköri levegõ súlyát igen pontosan határozta meg de Luc úr. Ezeknek a méréseknek az alapján azt kapjuk, hogy 10 fok hõmérsékleten, 28 higanyhüvelyk barométeres nyomáson egy köbhüvelyk oxigén 0,47317 granumot nyom. Lavoisier úr észlelése szerint ugyanezen a hõmérsékleten és nyomáson egy köbhüvelyk kötött levegõ közel 7/10 granumot nyom. Az eredmények alapján egy uncia szén, az égés során, 3,3167 uncia oxigént fogyaszt és 3,6715 uncia kötött levegõt termel. Tehát 10 rész kötött levegõben körülbelül 9 rész oxigén és 1 rész széntõl származó princípium van, s ez a kötött levegõ alapja. De ilyen érzékeny mérésekhez sokkal több kísérlet szükséges.
Láttuk, hogy egy uncia szén égéskor 6 font 2 uncia jeget olvaszt meg, ebbõl nem nehéz megállapítani, hogy a szén égésekor egy uncia oxigén átalakulása 29,547 uncia jeget, egy uncia kötött levegõ képzõdése pedig 26,692 uncia jeget képes megolvasztani.
A legnagyobb óvatossággal közöljük annak a hõnek a mennyiségét, amely akkor keletkezik, ha a szén egy uncia oxigéngázban ég. Az ekkor képzõdõ hõt csupán egyetlen kísérletben határoztuk meg, és bár a körülmények igen kedvezõek voltak, csak akkor gyõzõdhetünk meg igazán a mérés pontosságáról, ha többször is megismételjük. Már mondottuk, de nem hangsúlyozhatjuk elégszer, hogy nem elsõsorban kísérleteink eredményét, hanem a módszerünket ajánljuk fel a tudósoknak, s felkérjük õket, hogy amennyiben ez a módszer némiképp elõnyösnek látszik, ellenõrizzék a kísérleteket, amelyeket magunk is a legnagyobb gondossággal szándékozunk megismételni.
Ha foszfort égetünk a fent leírt berendezésben, ... azt az igen figyelemreméltó következtetést vonhatjuk le, hogy amikor a foszfor elnyeli az oxigéngázt, az oxigéngáz által leadott hõ körülbelül két és félszer nagyobb, mint amikor az oxigén kötött levegõvé alakul át.
Az Akadémia 1777-es értekezéseinek 597. lapján Lavoisier úr hasonló eredményre jutott a gázok és a gõzök képzõdésére vonatkozó általános elmélete révén. Eszerint az elmélet szerint az oxigéngáz, a kötött levegõ és általában az összes gáz és gõz a velük egyesült nagy mennyiségû hõnek köszönheti gázállapotát. Különösen az oxigéngáz tûnik úgy, hogy bõséges hõt tartalmaz; szinte valamennyit leadja, amikor a fémek kalcinációjakor és a kén, foszfor stb. égésekor szilárd állapotba megy át, de jelentõs része megmarad a kötött levegõben.
Az oxigéngáz nitrózus levegõben [nitrogén-monoxid] való elnyeletése kivételt képez az oxigén reakcióira vonatkozó általános elméletben: ebben a reakcióban nagyon kevés hõ fejlõdik, összehasonlíthatatlanul kevesebb, mint amikor a foszfor nyel el hasonló térfogatú oxigént. Ezért a salétromsavban és következésképp a salétromban is nagy mennyiségû kötött hõt kell feltételeznünk, amelynek teljes egészében meg kell újra jelennie, amikor ez az anyag felrobban; a kísérlet pontosan ezt mutatja.
...
Annak tisztázására, hogy az állatok lélegzése milyen változásokat idéz elõ az oxigéngázban, a korábban leírt berendezés B üvegbúráját ezzel a gázzal töltöttük meg és különbözõ tengeri malacokat tettünk bele. ... Az egyik kísérletben a tengeri malac behelyezése elõtt a harang 248,01 köbhüvelyk oxigéngázt tartalmazott. Az állat 1 1/4 óráig maradt bent. A higanyon át juttattuk be az üvegbúrába és ugyanígy távolítottuk el. Miután a harangbeli levegõ szobahõmérsékletûre hûlt, térfogata kismértékben csökkent, 240,25 köbhüvelyk lett. Végül a kötött levegõt lúggal nyelettük el, ekkor 200,56 köbhüvelyk levegõ maradt a búrában. A kísérletben 46,62 köbhüvelyk módosult oxigéngáz és 37,96 köbhüvelyk kötött levegõ keletkezett, figyelembevéve azt a csekély kötött levegõt, amelyet a harangban lévõ oxigén tartalmazott. Ha a módosult oxigéngáz térfogatát egységnyinek tekintjük, a lélegzés miatt a térfogat 0,814 csökken. A szén égésekor a gáz térfogata 1 : 0,74828 arányban csökkent. Ez a különbség részben mérési hibákból származhat, de egy olyan tényezõ is befolyásolhatja, amelyre elõször nem gondoltunk és amelyre igen érdemes felhvni azok figyelmét, akik meg kívánják ismételni a kísérleteket.
Az üvegharangban a higany szintjét egy kissé a külsõ higanyszint fölé emeltük, hogy a harang stabilabban álljon. Amikor az állatot betettük, illetve kivettük, megfigyeltük, hogy egy kevés külsõ levegõ is behatolt az állat teste mentén, bár a tengerimalac részben a higanyba merült. A higany nem tapad olyan szorosan a szõr felületéhez, hogy teljesen megakadályozza a külsõ levegõ és az üvegbúra levegõjének érintkezését, ezért a lélegzés látszólag kevésbé csökkenti a gáz mennyiségét, mint valójában.
Az elõzõ kísérletben termelt kötött levegõ súlya 26,572 granum, amibõl az következik, hogy 10 óra leforgása alatt 212,576 granum kötött levegõ keletkezett volna.
A kísérlet elején az állat sokkal tisztább levegõt lélegzett be a légköri levegõnél, és azonos idõtartam alatt talán sokkal több kötött levegõt termelt; ám a kísérlet végén nehezen vette a levegõt, mert a kötött levegõ súlyánál fogva az üvegbúra alsó részébe süllyedt, ahol az állat is volt, és kiszorította az oxigént, amely a harang felsõ részébe emelkedett, s talán az is nehezítette a légzést, hogy maga a kötött levegõ is ártalmas az állatok számára. Ezért nem követünk el nagy hibát, ha feltesszük, hogy a kísérletben ugyanannyi kötött levegõ keletkezett, mintha az állat a légköri levegõt lélegezte volna be, amelynek jósága körülbelül az átlaga ama levegõ jóságának, amely a kísérlet kezdetén és végén volt a harang alsó részében.
Ezután közvetlenül azt határoztuk meg, hogy a tengeri malac mennyi hõt termel, ha légköri levegõt lélegzik be. Az egyik állatot egy nagy harang alá helyeztük, amelyen légáramot bocsátottunk át. A levegõt, miután a célra igen alkalmas berendezésben összenyomtuk, üvegcsövön vezettük a harangba és egy másik hajlított csövön engedtük ki, amelynek homorú része higanyba merült és alsó része lúggal töltött palackban végzõdött. A levegõ ezután egy harmadik csövön is áthaladt, amely egy második lúggal töltött palackban végzõdött, és innen a légkörbe távozott. A búrába helyezett állatban képzõdött kötött levegõt az elsõ palack lúgja jórészt elnyelte, a maradékot a második palack lúgja nyelte el. A palackok súlyának növekedése megadta az elnyelt kötött levegõ mennyiségét. Három óra elteltével az elsõ palack súlya 63, a másodiké 8 granummal nõtt, tehát a két palack súlya összesen 71 granummal gyarapodott. Feltéve, hogy a kötött levegõ csak az állat légzésébõl származik, 10 óra alatt 236,667 granum keletkezett volna, ami csak egykilenceddel tér el az elõzõ kísérlet eredményétõl. Ez a különbség az állatok méretének, erõsségének, illetve az állatok kísérlet alatti állapotának eltérésébõl adódhat.
Ha a lélegzéskor keletkezõ gõzök, amelyeket a levegõáram szállított, lecsapódtak volna a palackokban, a lúg súlyának növekedése nem adta volna meg az állatban termelõdött kötött levegõ mennyiségét. Ennek a körülménynek az elkerülése érdekében hajlított csövet használtunk, melynek homorú része a higanyba merült. A lélegzésbõl származó gõzök a csõnek ezen a részén csapódtak le, és a görbületben gyûltek össze. Így az elsõ palacka belépõ gáz láthatóan mentes volt tõlük, mert a palackba benyúló csõszakasz átlátszó maradt. Ezért feltehetjük, hogy ha a palack súlyát megnövelték is ezek a gõzök, a gyarapodást kompenzálta a palackba töltött lúg víztartalmának párolgása. Attól is tarthatnánk, hogy az elnyeletett kötött levegõ egy része a légköri levegõbõl származott. Ennek tisztázására tengeri malac nélkül is megismételtük a kísérletet. Ebben az esetben nem nõtt a palackok súlya. A másodiké még csökkent is 4–5 granummal, amit kétségtelenül a lúgoldat víztartalmának párolgása okozott.
Egy harmadik kísérletben oxigéngázban tartottuk a tengerimalacot, és azt az eredményt kaptuk, hogy 10 óra alatt 226 granum kötött levegõ keletkezik.
A fenti kísérletek és néhány további, oxigénben és légköri levegõben folytatott hasonló állatkísérlet alapján, becsléseink szerint, az a tengerimalac, amellyel az állati hõ meghatározásakor kaloriméteres méréseket végeztünk, 10 óra alatt 224 granum kötött levegõt termel. ...
A leírt kísérletek ellentmondanak Scheele és Priestley urak eredményeinek, amelyeket az oxigéngáz változásaira kaptak az állatok lélegzésének tanulmányozásakor. E két kiváló tudós szerint a lélegzés nagyon kevés kötött levegõt és nagy mennyiségû rossz levegõt termel, melyet az utóbbi szerzõ flogisztikált levegõnek [nitrogénnek]nevez. Ám amikor a lehetõ legnagyobb gonddal vizsgáltuk meg számos kísérletben, hogy a madarak és a tengeri malacok lélegzése miként hat az oxigéngázra, mindig arra az eredményre jutottunk, hogy az állatok lélegzésekor a legfontosabb változás e gáz átalakulása kötött levegõvé. ...
A fentiekben láttuk, hogy a szén égésekor egy uncia kötött levegõ 26,692 uncia jég megolvasztására képes. Ebbõl az eredménybõl kiindulva azt kapjuk, hogy 224 granum kötött levegõ képzõdésekor 10,38 unciának kell megolvadnia. Az olvadt jég mennyisége következéképp azt a hõt reprezentálja, amelyet a tengerimalac lélegzése 10 óra alatt termel.
A tengerimalac állati hõjének vizsgálatakor az állat hõmérséklete a kísérlet végén csaknem ugyanakkora volt, mint kezdetben; hiszen tudjuk, hogy az állatok testhõmérséklete mindig csaknem ugyanakkora. Ennek a hõnek az állandó újratermelõdése nélkül a kezdeti hõmennyiség fokozatosan disszipálódott volna, és az állatot hidegen vettük volna ki a kaloriméterbõl csakúgy, mint a kísérleteinkben szereplõ összes élettelen testet. Az életmûködés azonban folyton újratermelte azt a hõt, amelyet az állat átadott a környezetének és amely, kísérleteink során, a belsõ térben elhelyezett jégig is eljutott, s 10 óra alatt 13 unciányit megolvasztott. Az olvadt jég mennyisége ezért közelítõleg azt a hõt reprezentálja, amelyet ugyanennyi idõ alatt a tengerimalac életmûködése újratermel. Az értéket talán csökkentenünk kell 1–2 unciával, vagy akár többel is, mert az állat végtagjai lehûltek a kaloriméterben, bár testének belseje csaknem megtartotta hõmérsékletét. Másrészt a belsõ hõ hatására elpárolgó testnedvek hûléskor megolvasztottak egy kevés jeget és a berendezésbõl kifolyó vízzel együtt távoztak.
Ha ezt a jégmennyiséget körülbelül 2 1/2 unciával csökkentjük, megkapjuk, hogy az állat lélegzése miatt átalakuló gáz mennyi jeget olvaszt meg. Ha figyelembe vesszük az elkerülhetetlen kísérleti hibákat és a számításokban alkalmazott feltevéseket, kiderül, hogy nem számíthatunk az eredmények tökéletesebb egyezésére. Tehát az a hõ lehet az állati hõ megõrzésének fõ oka, amely akkor keletkezik, amikor a légzés során az oxigén kötött levegõvé alakul át, és ha a hõ fenntartásához más okok is hozzájárulnak, ezek hatása elhanyagolható.
A lélegzés tehát égés, még ha nagyon lassú is, de tökéletesen hasonlít a szén égéséhez. A tüdõben zajlik, látható fény nélkül, mert a felszabaduló tûzanyagot azonnal elnyeli a tüdõben lévõ nedvesség. Az égéskor keletkezõ hõ átadódik a vérnek, amely átáramlik a tüdõn, és innen terjed szét az állat testében. Tehát a belélegzett levegõ két olyan célt is szolgál, amely egyaránt fontos az élet fenntartásához: elvonja a vérbõl a kötött levegõ alapját, amelynek feleslege igen káros lenne, és a tüdõnek juttatott reakcióhõ folyamatosan pótolja azt a hõt, amelyet a légkörnek és a környezõ testeknek adunk át.
Az állat hõmérséklete a különbözõ testrészekben nagyjából azonos. Ez a jelenség feltehetõen a következõ három ok következménye: az elsõ a vérkeringés sebessége, amely elõsegíti, hogy még a végtagokhoz is azonnal eljusson a tüdõben keletkezõ hõ; a második ok a tüdõben zajló párolgás, amely csökkenti a tüdõ hõmérsékletét; végül a harmadik a vér fajhõjének növekedésével kapcsolatos, s ez a növekedés abból származik, hogy a kötött levegõ alapjától, amely a vérben van, az oxigénnel való érintkezés elvonja a fajhõt. Ennek a fajhõnek egy része akkor képzõdik, amikor a keletkezett kötött levegõ elnyelõdik a vérben, amelynek hõmérséklete szinte mindig ugyanaz marad. A keringés folyamán azonban a vér ismét felveszi a kötött levegõ alapját, fajhõje csökken, és a vér hõt ad le; s mivel ez a folyamat a test minden részében lejátszódik, a keletkezõ hõ a tüdõtõl távoli szervekben is segít fenntartani a tüdõéhez hasonló hõmérsékletet. Másrészt, mivel az állati hõ mindig újraképzõdik, az elsõdleges ok a kötött levegõ keletkezése. Így tehát a következõt állíthatjuk: ha az állat stabil állapotban és nyugalomban van, ha szenvedés nélkül még hosszabb ideig elélhet az õt körülvevõ közegben, általában, amikor a körülmények nem változtatják meg jelentõsen a vérét és testnedveit, s az állati rendszerben több órán át nem zajlik le észrevehetõ változás, az állat hõje, legalább nagyrészt, abból a hõbõl ered, amely az állat által belélegzett oxigéngáz és a vérbõl származó kötött levegõ alapjának egyesülésekor fejlõdik.
Vissza | http://www.kfki.hu/chemonet/
http://www.ch.bme.hu/chemonet/ |