В тази публикация в блога ще разгледаме как калоричната теория от 18-ти век е била опровергана и е довела до законите на термодинамиката от 19-ти век и концепцията за ентропия.
През 18-ти век е било широко прието, че веществото топлина е „калорично“ – съвкупност от безмасови частици, които се движат от области с висока към ниска температура. Това е било известно като калорична теория, която е постулирала, че когато студен и горещ обект се докоснат, температурите им се изравняват, защото калорията преминава от горещия към студения обект. В този контекст една от основните грижи на учените е била въпросът за топлинната ефективност на топлинните двигатели, като например парния двигател.
Топлинният двигател е устройство, което абсорбира топлина от високотемпературен източник на топлина и я отделя във външната среда, като например атмосферата, докато извършва работа; топлинният к.п.д. се определя като съотношението на количеството извършена работа към количеството топлина, абсорбирано от двигателя. В началото на 19 век Карно разглежда проблема с топлинния к.п.д. в топлинните двигатели, основавайки се на калоричната теория. Карно отбелязва, че в хидравличните машини, като водните колела, когато водата тече от по-висока към по-ниска височина и извършва работа, съотношението на обема на водата към количеството извършена работа зависи единствено от разликата във височината. Точно както водата се движи поради разлика във височината, калоричната енергия също се движи от висока към ниска температура, докато извършва работа; по този начин топлинният к.п.д. на топлинния двигател зависи единствено от тези две температури.
Междувременно, усилията за подобряване на топлинната ефективност на такива топлинни двигатели се превърнаха в критично предизвикателство, преплетено с Индустриалната революция. Индустриалната революция доведе до бърз технологичен напредък, съсредоточен върху преобразуването на енергия и ефективността, което доведе до различни изследвания, насочени към подобряване на ефективността на топлинните двигатели. В този контекст, изследванията на Карно положиха основите на Първия и Втория закон на термодинамиката и се превърнаха във важна отправна точка за последващите учени.
През 1840-те години Джаул провежда експерименти за измерване на количеството различни форми на енергия, необходими за производството на определено количество топлина. Отличен пример е експериментът за еквивалента на топлина в работа. Този експеримент не включва топлинен двигател, а вместо това използва падаща тежест за въртене на лопатково колело във вода. Тъй като количеството топлина се изразява в калории, той измерва еквивалента работа-топлина - количеството работа, необходимо за производството на 1 kcal топлина - чрез прецизни експерименти върху процеса, чрез който механичната енергия (работа) се преобразува в топлина. По този начин Джаул демонстрира, че работата и топлината са физични величини, които са взаимозаменяеми, различаващи се само по форма и следователно притежават еквивалентност. Той също така открива, че когато топлината и работата се преобразуват една в друга, общата енергия - сумата от енергията на топлината и работата - остава постоянна. Впоследствие е установен законът за запазване на енергията, доказващ, че не само топлината и работата, но и химическата енергия, електрическата енергия и други форми на енергия са еквивалентни и че общото количество енергия остава непроменено, когато се преобразуват една в друга.
Това разбиране за топлината и работата накарало учените да преразгледат теорията на Карно. По-специално, Томсън посочил, че обяснението на Карно за топлинния двигател, основано на калоричната теория, противоречи на закона за запазване на енергията на Джаул. Според теорията на Карно, топлинният двигател извършва работа, като освобождава цялата топлина, абсорбирана при висока температура, към по-ниска температура. Тъй като това противоречи на еквивалентността на топлината и работата и закона за запазване на енергията, доказан от Джаул, идеята, че веществото топлина е калорично, вече не можела да се поддържа. Теорията на Карно относно топлинната ефективност обаче била потвърдена от доказателството на Клаузиус. Изхождайки от предположението, че ако теорията на Карно не е валидна, топлината може да преминава от по-ниска към по-висока температура, той доказал теорията на Карно, че топлинната ефективност на топлинния двигател зависи единствено от двете работни температури, при които двигателят абсорбира топлина при висока температура и я освобождава при ниска температура.
Клаузиус отбелязва, че в естествения свят топлината протича само от високи към ниски температури и че съществува емпирично наблюдавана насоченост, така че обратното явление не се наблюдава. Той също така отбелязва асиметрията в посоката на преобразуване: за разлика от преобразуването на работата в топлина, не цялата топлина в топлинен двигател може да се преобразува в работа – тоест, топлинната ефективност не може да достигне 100%. Дискусиите относно тази насоченост и асиметрия доведоха до концепцията за ентропия, нова физическа величина, способна да обясни тези явления. Като установи Втория закон на термодинамиката, Клаузиус използва концепцията за ентропия, за да обясни необратимостта на природните явления и ограниченията върху преобразуването на енергия.
Чрез този процес термодинамиката еволюира отвъд простия проблем с преобразуването на енергията и се превърна в ключова област на изследване за разбиране на фундаменталните принципи на природните явления. Тези принципи се прилагат в различни области на съвременната наука и инженерство и формират основата на разнообразните технологии, които използваме днес.
