U ovom blog postu ispitat ćemo kako je kalorijska teorija iz 18. stoljeća opovrgnuta i dovela do zakona termodinamike iz 19. stoljeća i koncepta entropije.
U 18. stoljeću bilo je općeprihvaćeno da je tvar topline „kalorična“, skup čestica bez mase koje teku od područja visoke prema područjima niske temperature. To je bilo poznato kao kalorijska teorija, koja je tvrdila da kada se hladan i vrući objekt dovedu u kontakt, njihove temperature postaju jednake jer kalorija teče od vrućeg objekta prema hladnom. U tom kontekstu, jedna od glavnih briga znanstvenika bilo je pitanje toplinske učinkovitosti toplinskih strojeva, poput parnog stroja.
Toplinski stroj je uređaj koji apsorbira toplinu iz izvora topline visoke temperature i oslobađa toplinu u vanjski okoliš, poput atmosfere, dok obavlja rad; toplinska učinkovitost definirana je kao omjer količine obavljenog rada i količine topline koju motor apsorbira. Početkom 19. stoljeća Carnot se bavio problemom toplinske učinkovitosti u toplinskim strojevima na temelju kalorijske teorije. Carnot je primijetio da u hidrauličkim strojevima, poput vodenih kotača, kada voda teče s više na nižu nadmorsku visinu i obavlja rad, omjer volumena vode i količine obavljenog rada ovisi isključivo o razlici u nadmorskoj visini. Baš kao što se voda kreće zbog razlike u nadmorskoj visini, tako se i kalorijska temperatura kreće s visoke na nisku temperaturu dok obavlja rad; stoga toplinska učinkovitost toplinskog stroja ovisi isključivo o ove dvije temperature.
U međuvremenu, napori za poboljšanje toplinske učinkovitosti takvih toplinskih motora postali su ključni izazov isprepleten s industrijskom revolucijom. Industrijska revolucija donijela je brz tehnološki napredak usmjeren na pretvorbu energije i učinkovitost, što je dovelo do raznih studija usmjerenih na poboljšanje učinkovitosti toplinskih motora. U tom kontekstu, Carnotovo istraživanje postavilo je temelje za Prvi i Drugi zakon termodinamike i postalo važna referentna točka za kasnije znanstvenike.
U 1840-ima, Joule je provodio eksperimente kako bi izmjerio količinu različitih oblika energije potrebnih za proizvodnju određene količine topline. Glavni primjer bio je eksperiment o ekvivalentu topline u radu. Ovaj eksperiment nije uključivao toplinski stroj, već je koristio padajući uteg za okretanje kotača s lopaticama u vodi. Budući da se količina topline izražava u kalorijama, izmjerio je ekvivalent rada i topline - količinu rada potrebnu za proizvodnju 1 kcal topline - kroz precizne eksperimente o procesu kojim se mehanička energija (rad) pretvara u toplinu. Joule je tako pokazao da su rad i toplina fizičke veličine koje su zamjenjive, razlikuju se samo po obliku, te stoga posjeduju ekvivalentnost. Također je otkrio da kada se toplina i rad pretvaraju jedan u drugi, ukupna energija - zbroj energije topline i rada - ostaje konstantna. Nakon toga, uspostavljen je zakon o očuvanju energije, dokazujući da nisu samo toplina i rad, već i kemijska energija, električna energija i drugi oblici energije ekvivalentni i da ukupna količina energije ostaje nepromijenjena kada se pretvaraju jedan u drugi.
Ovo razumijevanje topline i rada navelo je znanstvenike da preispitaju Carnotovu teoriju. Thomson je posebno istaknuo da Carnotovo objašnjenje toplinskog stroja, temeljeno na kalorijskoj teoriji, proturječi Jouleovom zakonu o očuvanju energije. Prema Carnotovoj teoriji, toplinski stroj obavlja rad oslobađajući svu toplinu apsorbiranu na visokoj temperaturi na nižu temperaturu. Budući da je to proturječilo ekvivalenciji topline i rada te zakonu o očuvanju energije koji je dokazao Joule, ideja da je tvar topline kalorična više se nije mogla održati. Međutim, Carnotovu teoriju o toplinskoj učinkovitosti potvrdio je Clausiusov dokaz. Polazeći od pretpostavke da ako Carnotova teorija ne bi bila valjana, toplina bi mogla teći s niže na višu temperaturu, dokazao je Carnotovu teoriju da toplinska učinkovitost toplinskog stroja ovisi isključivo o dvije radne temperature na kojima motor apsorbira toplinu na visokoj temperaturi i oslobađa je na niskoj temperaturi.
Clausius je primijetio da u prirodnom svijetu toplina teče samo od visokih prema niskim temperaturama te da postoji empirijski uočljiva usmjerenost, tako da se suprotan fenomen ne događa. Također je primijetio asimetriju u smjeru pretvorbe: za razliku od pretvaranja rada u toplinu, ne može se sva toplina u toplinskom stroju pretvoriti u rad - to jest, toplinska učinkovitost ne može doseći 100%. Rasprave o ovoj usmjerenosti i asimetriji dovele su do koncepta entropije, nove fizikalne veličine sposobne objasniti te pojave. Utvrđivanjem drugog zakona termodinamike, Clausius je koristio koncept entropije kako bi objasnio nepovratnost prirodnih pojava i ograničenja pretvorbe energije.
Kroz taj proces, termodinamika se razvila izvan jednostavnog problema pretvorbe energije i postala ključno područje istraživanja za razumijevanje temeljnih principa prirodnih pojava. Ti se principi primjenjuju u raznim područjima moderne znanosti i inženjerstva te čine temelj različitih tehnologija koje danas koristimo.
