19. stoljeće - Toplina i statistička fizika

Slovenski znanstvenik i poeta Jožef Stefan (1835. – 1893.) poznat je po formulaciji zakona zračenja crnoga tijela, koju objavljuje 1879. godine. Na temelju eksperimentalnih mjerenja irskoga fizičara Johna Tyndalla Stefan utvrđuje da je ukupna energija zračenja crnoga tijela razmjerna četvrtoj potenciji njegove termodinamičke temperature. Godine 1884. zakon je u okviru termodinamike teorijski izveo Stefanov student Ludwig Boltzmann, pa je danas poznat kao Stefan – Boltzmannov zakon.

Austrijski fizičar Ludwig Boltzmann (1844. – 1906.), student Josefa Stefana i veliki pristaša atomistike, jedan je od osnivača statističke termodinamike. Nadahnut Maxwellovim radom njome se počinje baviti još za studija. Naime, pored klasične elektrodinamike Maxwell je utemeljiio i kinetičku teoriju plinova, gdje je formulirao zakon raspodjele brzine molekula u plinu. Boltzmann je bio uvjeren da se zakoni ponašanja makroskopskih termodinamičkih sustava mogu izvesti iz pretpostavke postojanja atoma koji taj sustav čine i koji se pokoravaju Newtonovim zakonima. Rezultat je spajanja mehaničkih zakonitosti i teorije vjerojatnosti bila Boltzmannova razdioba atoma po energijama u ovisnosti o temperaturi sustava. Boltzmann je unaprijedio kinetičku teoriju plinova, prvi je povezao entropiju i termodinamičku vjerojatnost, mikroskopski i makroskopski opis sustava. Time je otvorio put razumijevanju drugoga zakona termodinamike u sklopu statističke fizike i Newtonove mehanike. Boltzmann objašnjava porast entropije u ireverzibilnim procesima i istražuje prijenos topline u sredstvu. Svojim je pokusima i teorijskim razmatranjima podupro Maxwellovu teoriju elektromagnetizma.

Boltzmannu i znanstvenicima koji su podržavali atomističku ideju oponira austrijski fizičar i filozof Ernst Mach, zastupajući gledišta pozitivističke filozofije. Atomi su, smatra Mach, premali da bi se izravno opažali, a jer nijedan model atoma u to vrijeme nije konzistentan, ideju atoma smatra samo hipotezom, bez osobitoga opravdanja. Prema Machu, atome ne možemo opažati, već su oni, kao i sve supstancije, predmet zamišljanja, a atomska teorija samo pomoćno sredstvo tumačenja prirode i nadomjestak zora.