Az energia, az energiaváltozásés az energiaátalakítás fogalmának

fejlődéstörténete(a hőtantól a termodinamikáig)

Dr. Inzelt Györgyegyetemi tanár

Eötvös Loránd TudományegyetemTTK Fizikai Kémiai Tanszék

Korai idők kronológiája

i.e. 250000 év tűzgyújtás – hőfejlesztés dörzsöléssel spontán tűz villámcsapás általi.e. 7000-10000 év sütés – főzés, cserépégetés, fémmegmunkálási.e. IV. század

Arisztotelész (i.e. 384-322)őselemek; a 4 közül az egyik a tűz (ősanyag + meleg és száraz),dynamisz (erő), energeia (mozgási energia)

Kína: Írások könyve „A Nagy Szabály” c. fejezet:5 elem, „Az első a víz, a második a tűz…”Ellentétpárok (jin és jang) hideg – meleg

Görög és kínai: az uralkodó rend sok, kis állandóan mozgó,egymással kölcsönhatásban álló részekből alakul ki.

Héron: Pneumatika (levegő és légnyomás)pneuma (sztoikus természetfilozófia): tüzes lélegzet,a világot betöltő változékony erő.

Hőanyag, mozgás, rend, energia

Korai idők kronológiája

T. Lucretius Carus (i.e. 97-55) római filozófus-költő „A természetről” De Rerum Natura

„Nézd ugyanis valahányszor réseken által Ontja homályosb részibe a háznak be sugarát: Látni fogod, hogy szerte az űrben mennyi parányi Test pezseg a fénylő napsugárnak közepette.”

Tyndall – jelenség John Tyndall (1820-1893)

1500 évvel később (XVII. sz.)

A hőmérséklet, a nyomás és a gáztörvényekGalileo Galilei (1564-1642) vákuum, légnyomásEvangélista Torricelli (1608-1647) légnyomás és mérése, „funiculus”Blaise Pascal (1623-1662) Pa egységOtto von Guericke (1602-1686) magdeburgi féltekék – vákuumRobert Boyle (1627-1691) Sceptical Chemist, ír nemes, Oxford, gazdagRobert Hook (1635-1703) Hook – törvény, légszivattyúBoyle – Mariotte törvény: PV = állandó

Boyle csak idézte 1662-ben kiadott könyvében Richard Towneley (1629-1668)megállapítását, aki viszont Henry Power (1623-1668) kísérleteit és következtetéseit használta fel.

Edmé Mariotte (1620-1684) könyve 1679Isaac Newton: Principia II. kötet:

a nyomás és a térfogat közötti összefüggés a részecskékegymás közötti rövidtávú kölcsönhatásából következik.

Santorio Santorii (1561-1630) az első hőmérő 1612.Ez és Galileié is nyomásérzékenyek voltak.

Guillaume Amontons (1663-1705) az első megbízható hőmérőDaniel Gabriel Fahrenheit (1686-1734) folyadékos hőmérőAnders Celsius (1701-1744) hőmérsékleti skála 1742.Joseph Louis Gay - Lussac (1778-1850)

p ~ T (V = állandó), V ~ T ( p = állandó)Gay – Lussac vagy Charles törvény [→ Peter G. Tait (1831-1901) skót fizikus;

Jacques A.C. Charles (1746-1823) is francia volt!]

Gay – Lussac: gázreakciók térfogati törvénye Amadeo Avogadro (1776-1856): minden gáz azonos térfogata, állandó hőmérsékletenés nyomáson azonos számú molekulát tartalmaz. 1811 Nem figyeltek fel rá.Stanislao Cannizzaro (1826-1910) 1858 Avogadro elmélet magyarázataJulius Lothar Meyer (1830-1895):

„Mintha hályog esett volna le a szememről, a kétségek eltűntek, és helyükre lépett a bizonyosság békéje.”

Egyesített gáztörvény: PV = nRT

A hőmérséklet fogalma és mérhetősége.

A hő mint a részecskék mozgása, az energia

A kinetikus elmélet (részecskék mozognak)

Daniel Bernoulli (1700-1782) „Hydrodynamika” c. könyve 1738.

p ~ v2 gázok hőmérséklete a részecskék mozgásából származik

Leonard Euler (1707-1783) v = 477 m s-1

Christian Huygens (1629-1695) rugalmas ütközésben Σmv őrződik meg

Gustave Gaspard de Coriolis (1792-1843) mozgási energia ½ m v2.

Thomas Young (1773-1829) energia a vis viva (eleven erő, életerő) helyett

William J.M. Rankine potenciális (helyzeti) és kinetikus (mozgási energia)

Lord Kelvin (William Thomson 1824-1907, Baron Kelvin of Largs)

- kinetikus energia K fok, „thermo-dynamic” 1849. termodinamika

James Watt (1736-1819) munka gőzgép

Hőanyag vagy mozgási energia? I.

Francis Bacon (1561-1626) a hő az anyagi részecskék mozgásának egyik formája 1620. „Novum Organum”

[Francis Thomas Bacon (1904-1992) – pórusos gázdiffúziós elektród,első alkalikus tüzelőanyag cella – Apolló űrhajó]

Caloricum (hőszubsztancia) – minden anyagban jelenlevő rugalmas folyadék

Joseph Black (1728-1799) – kaloriméter: a hőmérséklet mérésével a hő mennyisége meghatározható, hőkapacitás, különbségtétel a hő és a hőmérséklet között.

Nicolas L. Sadi Carnot (1796-1832) 1824. Lord Kelvin: „a tudománynak adottkorszakalkotó ajándék”, hőerőgépek, gőzgépek hatásfoka (η)

nyomás – térfogat diagram, Carnot ciklus, termodinamikai reverzibilitás

11

21

1

21

QL

QQQ

TTT

Hőanyag vagy mozgási energia? I.

Jean B.J. Fourier (1768-1830) hővezetés egyenlete – Fourier sorok

Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794)

Pierre Simon Laplace (1743-1827) „Értekezés a hőről” 1783.„A tudósok véleménye megoszlik a hő természetét illetően. Sokan úgy vélik, a hő fluidum, amely szétoszlik a

természetben, és aszerint járja át a testeket, hogy milyen a hőmérsékletük, és mennyire képesek a hő megtartására… Más tudósok szerint a hő az anyagot alkotó részecskék észrevehetetlen mozgásának az eredménye… Nem kívánunk dönteni a két hipotézis között.”

Hőerőgépek, gőzgépek

Az ipari forradalom

Kulcskérdés: a hőt minél nagyobb hatásfokkal munkává alakítani

Denis Papin (1647-1714) egydugattyús gőzgép

Thomas Savery (1650-1715) gőzszivattyú

Thomas Newcomen (1663-1729) „vasangyal” „tüzesgép”

James Watt kondenzációs gőzgép (kazán-munkahenger-gőzsűrítő) 1769.

Richard Trevithick (1771-1833) 1803. ez első gőzmozdony

George Stephenson (1781-1848) tökéletesített gőzmozdony

Hol van Wattnak illetve Stephensonnak szobra Budapesten?

(A Keleti pályaudvar falfülkéjében.)

Hőerőgépek, gőzgépek

Robert Fulton (1765-1815) gőzhajó 1814.

Joseph Cugnot (1725-1804) gőzkocsi

Benoit Pierre Émile Clapeyron (1799-1864) tette ismertté Carnot munkáját

Kelvin: abszolút hőmérsékleti skála a Carnot – ciklus alapján

Rudolf Diesel (1858-1913) „Theorie und Konstruktion eines rationallen Warme – Motors” 1893.

„Vas sínen a gőzgép nagy terhet vonva közeleget, …

Testem is hőanyt likacsin már veszteni kezdi.”Arany János: „A reggel – Természetrajz” 1881.

Hőanyag vagy mozgási energia? II.A hőanyag elmélet bukása, a kinetikus elmélet diadala

Mihail Lomonoszov (1711-1765) „Elmélkedések a meleg és a hideg okáról” 1750.

„a meleg az anyag belső mozgásával van összefüggésben…a belső mozgás alatt az anyag érzékelhetetlen részeinek helyváltoztatását

értjük.”

Humphry Davy (1778-1829) „Értekezés a hőről, a fényről és a fény kombinációjáról” 1799.„a caloricum nem létezik”

Benjamin Thompson, Rumford grófja (1753-1814)a híres ágyúfúrási kísérlet, 1798. Royal Society előadás

„a súrlódás által létrehozott hő kimeríthetetlen…, ezért a hő nem lehet anyagi természetű…, hanem az a mozgás egyik formája”

Az energiamegmaradás törvénye

Julius Robert Mayer (1814-1878) A munka és a hő egymásba alakítható, az energia megsemmisíthetetlen.

James Prescott Joule (1818-1899) Joule egységa hő (Q) és a munka egymásba alakítható

Q ~ I 2 Rt I – áramerősség, R – ellenállás, t - idő

Joule – Thomson – hatás → hűtőgépek

William R. Grove (1811-1890) „On the Correlation of Physical Forces”- tüzelőanyag-cella 1839.

A termodinamika főtételei

2. főtétel – Carnot, Kelvin (1852) – az energia disszipációja, irreverzibilis folyamatok

1. főtétel – Mayer Rudolf Julius Emmanuel Clausius (1822-1888)

entrópia: trope (görög, átalakulás) + en (be)Verwandlung = átalakulás, átváltozás

„A világ energiája állandó, az entrópia a maximumra törekszik.” 1850.„hőhalál” elméletek

3. főtétel – Walther Nernst (1864-1948)S (T = 0) = 0 Nobel – díj 1920, „termokémiai munkásságáért”

0. főtétel hőmérsékleti egyensúly, a hőmérsékletmérés alapja

Az energiamegmaradás törvénye

John Herapath (1790-1868)PV = N m v2

John James Waterston (1811-1883)energiaeloszlás (ekvipartició) elvev ~ T ½ Philosophical Transactions 1846.elutasítják, Lord Rayleigh (1842-1919) újra felfedezi 1892.

James Clerk Maxwell (1831-1879) gázok kinetikus elmélete, a molekuláksebességeloszlása 1860.

Clausius (1857) PV = ⅓ N m u2

Ludwig Boltzmann (1844-1906)„A termodinamika 2. főtételének mechanikai értelmezése” 1866. Az energiaeloszlás törvénye, 1868.

S = k ln WJosiah Willard Gibbs (1839-1903)

„Elementary Principles in Statistical Mechanics Developed with Special Reference to the Rational Foundations of Thermodynamics” 1902.

A kinetikus elmélet további fejlődése

Max Planck (1858-1947) – állapotösszeg, megoszlási függvény (partition function)

„Az entrópia növekedésének elvéről” hatáskvantum

Albert Einstein (1879-1955) 1905. Annales der Physik„Planck sugárzási elmélete és a fajhők elmélete” 1907.

Pierre Louis Dulong (1875-1838) és Alexis – Thérese Petit (1791-1820)szilárd testek hőkapacitása azonos, 25 J-1 mol-1

mérések kis hőmérsékleteken

Paul Gottfried Linde (1842-1934) cseppfolyós levegő a Joule-Thomson elv alapján

Einstein T → 0 Cv → 0

Peter Joseph Wilhelm Debye (1884-1966) Cv ~ T 3

A kinetikus elmélet további fejlődése

Energetikus iskola (Wilhelm Ostwald, Dukem)

Az energia a legalapvetőbb realitás (létezési forma).Einstein 1905. E = m c2

Atomenergia.

Maghasadás 1938.Otto Hahn (1879-1968), Fritz Strassmann (1902-1980)Lise Meitner (1878-1968), Otto Robert Frisch (1904-1979)

200 Me V / reakció = 2 x 1010 kJ / mol reacióként

1942. december 2. Enrico Fermi, Szilárd Leo, Chicago atomreaktor

A kinetikus elmélet további fejlődése

G = U + PV – TS = H – TS Gibbs 1870.

G – szabadentalpia, Gibbs energy, Gibbs free energy

H – entalpia [Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926), 1909; thalposz = hő, en = benne (görög)]

Kémiai potenciál – Gibbs

fázisszabály: F + SZ = K + Z – Gibbs Helmholtz: kötött és szabad energia 1882.A = U – TS

Pierre Eugene Marcelin Berthelot (1879-1907)affinitás

Gibbs – Helmholtz – egyenlet — Bugarszky István (1868-1941) endoterm elem

Gibbs: G = – n FEcell

Kémiai termodinamika. A főtételek egyesítése.

Jacobus Henricus van’t Hoff (1852-1911) 1901. első kémiai Nobel – díj kémiai termodinamika„Études de dinamique chimique” 1884.

egyensúlyi állandó hőmérséklet és nyomásfüggése, ammóniaszintézis

ozmózisnyomás – hibás elmélet:

„Die Rolle des osmotischen Druckes in der Analogie zwischen Lösungen und Gasen” Zeitschift für physikalische Chemie 1, 481 (1887).

Kémiai termodinamika. A főtételek egyesítése.

KRTG ln

Köszönöm

a megtisztelő figyelmet!