19. stoljeće - Toplina i statistička fizika

Početkom se 19. st. već zahuktala primijena toplinskih strojeva i spoznaje o njihovoj ekonomskoj i industrijskoj korisnosti. Prvi je parni stroj gotovo stoljeće prije, točnije 1712. godine, izumio Thomas Newcomen (1664. – 1729.). U drugoj je polovici 18. st. značajno usavršio radni učinak stroja i omogućio njegovu veću primijenu škotski izumitelj James Watt (1736. – 1819.), kojemu se često pogrešno pripisuje i sam izum parnoga stroja.

No, početkom 19. st. teorijska je studija toplinskih strojeva još nedostajala. Nju 1824. godine objavljuje mladi francuski fizičar i vojni inženjer Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796. – 1832.) koji je svoje kapitalno djelo Razmišljanja o sili gibanja vatre... (Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance) napisao kada je imao samo 28 godina. Njegovu studiju danas poznajemo kao Carnotov ciklus. U tom djelu on upućuje na činjenicu da se toplina ne može po volji pretvarati u mehanički rad, nego se u rad pretvara tako da jedan njezin dio prelazi s toplijega tijela na hladnije. Ustanovivši da nije moguće konstruirati stroj u kojem bi se sva toplina pretvarala isključivo u rad, Carnot je u ovom djelu postavio temelje drugom zakonu termodinamike. Nažalost, kako mladi Carnot umire od kolere, velika je većina njegovih zapisa i neobjavljenih radova morala biti spaljena. Njegovo djelo nije izazvalo veliku pažnju suvremenika, no je počelo velik značaj postiže desetljeće nakon izdavanja, kada ga elaboriraju i moderniziraju najprije Émile Clapeyron, a zatim Rudolf Clausius i lord Kelvin.

Razvoj su termodinamike i kinetičke teorije plinova uvelike unaprijedili njemački fizičar Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822. – 1888.) i francuski inženjer Benoît Paul Émile Clapeyron (1799. – 1864.). Clausius je neovisno o Kelvinu formulirao pojam entropije i drugi zakon termodinamike te razvio kinetičku teoriju topline. Clapeyron nastavlja Carnotov rad na teoriji topline dajući joj prihvatljiviji analitički i grafički oblik te Carnotov ciklus predstavlja zatvorenom krivuljom. Godine 1843. Clapeyron razvija i Carnotovu ideju reverzibilnih procesa. Njegov je rad pridonio značajnom širenju Clausiusova rada, u kojem je nastala i Clausius – Clapeyronova relacija, koja opisuje odnose termodinamičkih parametara kod faznih prijelaza.

James Prescott Joule (1818. – 1889.), engleski fizičar i pivar, bavio se istraživanjem pretvorbe energije, posebno topline i mehaničkoga rada, koja je vodila do oblikovanja prvoga zakona termodinamike. Kao iskusan je eksperimentator odredio prilično točnu vrijednost specifičnoga toplinskog kapaciteta vode. Energiju zove vis viva („živa sila“) i daje grubi oblik zakona njezina očuvanja. Zajedno je s lordom Kelvinom radio na uspostavi apsolutne temperaturne ljestvice, a pridonio je i elektricitetu došavši do spoznaje o toplinskim učincima električne struje, koju nazivamo Jouleov zakon.

William Thomson (1824. – 1907.), poznat i kao lord Kelvin, glasoviti je škotski matematičar, fizičar i inženjer koji je postao sveučilišnim profesorom već u dobi od 22 godine. Bio je i vrlo plodan znanstvenik te je objavio brojne radove iz teorijske i eksperimentalne fizike (ukupno preko 600 znanstvenih radova i 70 patenata). Za svoja je znanstvena dostignuća dobio titulu lorda Kelvina. Najpoznatiji je po uvođenju ljestvice apsolutne temperature, koju zovemo njegovim plemićkim imenom. Ljestvicu je predložio 1848. godine, a osnovna joj je prednost što je neovisna o fizičkim svojstvima bilo koje tvari. U radu iz 1851. godine O dinamičkoj teoriji topline (On the dynamical theory of heat) objavljuje da toplinu ne smatra oblikom tvari, već „dinamičkim oblikom mehaničkoga djelovanja“. Thompsonu dugujemo naziv termodinamika.

Dva su njemačka liječnika i fizičara sredinom 19. st. objavila otkrića koja su im osigurala mjesto među utemeljiteljima termodinamike: Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821. – 1894.) i Julius Robert von Mayer (1814. – 1878.).

Mayer 1841. godine izriče tvrdnju o neuništivosti energije poznatu kao jednu od prvih inačica zakona očuvanja energije i prvoga zakona termodinamike. Izvodi pokuse pretvorbe kinetičke energije u toplinsku u kojima određuje specifični toplinski kapacitet vode. Izveo je tzv. Mayerovu relaciju prema kojoj je razlika specifičnoga toplinskog kapaciteta plina pri stalnom tlaku i specifičnoga toplinskog kapaciteta plina pri konstantnom obujmu jednaka općoj plinskoj konstanti. Mayer opisuje i kemijske procese u organizmu, danas poznate kao oksidacijske procese, koji su primarni izvor energije svih živih bića. Smatra da biljke pretvaraju svjetlosnu energiju u kemijsku.

Helmholtz je također dao doprinos unapređenju mnogih područja suvremene znanosti, od fiziologije i fiziološke psihologije, „matematike oka“, teorije vida, vizualne percepcije prostora, percepcije zvuka, filozofije znanosti, do fizike, u sklopu koje je radio na teoriji očuvanja energije, elektrodinamici i kemijskoj termodinamici. Prvo značajno otkriće u fizici iz 1847. godine je Helmholtzov fizikalni opis načela očuvanja energije, do kojeg je došao studirajući metabolizam mišića. Proučavajući djela Carnota, Clapeyrona i Joulea Helmholtz je postulirao relaciju koja povezuje mehaniku, toplinu, optiku, elektricitet i magnetizam smatrajući sve manifestacijom jedinstvene fizičke veličine, koju naziva “silom”, misleći pri tom na veličinu koju danas nazivamo energijom. Teoriju je objavio 1847. godine u knjizi O očuvanju sile (Über die Erhaltung der Kraft).