Fysiikan historia. kevät 2011 Luento 9

Transkriptio

1 Fysiikan historia kevät 2011 Luento 9

2 Lämpöopin historiaa Termodynamiikka oli yksi 1800-luvun fysiikan pääaihepiireistä. Siinä päädyttiin lopulta ilmiöiden kuvaamiseen atomi- ja molekyylitason käsittein. Samalla fysiikkaan tuli todennäköisyyden käsite. Termofysiikan sovellutukset, erityisesti höyrykoneet, olivat tärkeitä teollisen vallankumouksen nousuun. Termofysiikan ilmiöiden ymmärtäminen on kehittynyt monen välivaiheen kautta. Flogistoniteoria Saks. Johan Joachim Becher ( ) esitti 1667 flogistoniteorian, jonka mukaan palava aine sisältää flogistonia, lämpöainetta, joka vapautuu aineen palaessa. Ilmalla on äärellinen kyky ottaa vastaan vapautuvaa flogistonia. Selittää, miksi tuli sammuu suljetussa tilassa. Teoria ei selittänyt, miksi esimerkiksi magnesiumin massa kasvaa palamisen seurauksena. Pikku hiljaa flogistonista tuli palamista kuvaava periaate. Malli kuoli lopullisesti, kun Antoine-Laurent Lavoisier ( ) osoitti, että palaminen vaatii kaasun, jolla on massa (happi).

3 Irl. Robert Boyle ( ) Asui nuoruutensa Genevessä. Vieraili Italiassa tutkimassa Galilein kirjoituksia. Aloitti tieteellisen työnsä Oxfordissa Otti assistentikseen Robert Hooken. Kehittivät vakuumipumpun ja formuloivat Boylen lain (pv on vakio). Uskoi flogistonioppiin. Päätteli, ettei ääni kulje tyhjössä ja että hengittäminen on välttämätöntä elämiselle. Boylen ja Hooken vakuumipumppu Historialliset kaasulait: Boylen laki: pv = vakio, kun T = vakio Gay-Lussacin laki: V/T = vakio, kun p = vakio Charlesin laki: p/t = vakio, kun (V = vakio) Nämä yhdistettynä: Kaasujen yleinen tilanyhtälö: pv/t = vakio

4 Kalorikkiteoria Skotl. Joseph Black ( ) esitti vuonna 1760 ajatuksen, että lämpö on erityistä ainetta, kalorikkia. Se on eräänlaista fluidia, joka täyttää aineiden kaikki sopet. Teorian mukaan kalorikki virtaa kuumemmasta kappaleesta kylmempään. Se ei häviä, eikä sitä synny lisää, se vain siirtyy paikasta toiseen. Kalorikkiteoria tarjosi selityksen lämpölaajenemiselle: kalorikkia tunkeutui kappaleen sisään, jolloin kappale suureni. Kalorikkiteoria on lähellä ihmisen arkikäsitystä lämmöstä. Lämpö ajatellaan joksikin aineen sisällä olevaksi, joka virtaa kappaleesta toiseen. Josepf Black keksi myös käsitteet latentti lämpö (olomuodonmuutoksen vaatima energia) ja lämpökapasiteetti (C).

5 Lämpö värähtelynä Amer. (vaikutti Euroopassa) Benjamin Thompson ( ), kreivi Rumford osoitti kalorikkiteorian vääräksi. Tykinpiippujen porauksen yhteydessä hän huomasi, että aihiometalli kuumenee pelkästä tylsän poranterän hankauksesta. Tätä ei kalorikkiteoria selittänyt. Kalorikkia vapautui paljon enemmän kuin metallissa saattoi sitä mitenkään olla ennen poraamista. Thomson päätteli, että lämpö on aineen rakenneosasten värähtelyä, jonka poranterän ja metallin välinen kitka saa aikaan. Mekaaninen työ voi siis muuttua lämmöksi. Humphry Davy tuli myöhemmin samaan tulokseen saadessaan jääpalat sulamaan hankaamalla niitä toisiinsa.

6 Lämpö ja energia Engl. James Prescott Joule ( ) saattoi Thompsonin kvalitatiiviset havainnot kvantitatiiviseksi laiksi vuosina Määritti huolellisten kokeiden avulla mekaanisen työn ja sähköisen työ ja lämmön vastaavuuden. Vesiastiassa olevia siivekkeitä pyöritettiin joko mekaanisen työn (kuvassa) tai sähkömoottorin avulla. Veden lämpötilan nousua verrattiin tehtyyn työhön. Joulen tulokset osoittivat, että energiaa voidaan muuntaa muodosta toiseen, mutta energian määrä säilyy aina. Keksi, että kaasu jäähtyy laajentuessaan.

7 Saks. lääkäri Robert Julius von Mayer keksi energian säilymislain hieman Joulea aikaisemmin, Sai idean ollessaan laivalääkärinä. Huomasi, että kuumassa ilmanalassa ihminen käyttää veren happea vähemmän kuin kylmässä (ilmeni veren värissä). Ruuansulatuksessa tapahtuva kemiallisen energian vapautuminen ilmenee siis lämpönä. Totesi myös, että myrskyävä meri on lämpimämpi kuin tyyni meri, vaikka ilman lämpötila olisi sama. Joule ja muut ylenkatsoivat hänen tuloksiaan. Arvo tunnustettiin myöhemmin. Myös saks. fysiologi ja fyysikko Hermann Ludvig Ferninand von Helmholz ( ) keksi energian säilymislain. Hän tutki voimantuottoa lihaksissa. Hän esitti asian muodossa, joka tunnetaan termodynamiikan ensimmäisenä pääsääntönä. Hermann Helmholz

8 Energia oli selkiintymätön käsite vielä 1800-luvun alussa. Sitä käytettiin rinnan voiman kanssa tarkoittamaan samaa asiaa. Käsite selkiytyi, kun lämmön muuttuminen mekaaniseksi työksi todettiin mahdolliseksi. Silloin energia ei enää liittynyt pelkästään Newtonin voimalakeihin ja sille syntyi oma merkityksensä. Kiistely siitä, kuka energian oikean merkityksen ja energian säilymislain keksi, Joule vai Mayer, johti ankaraan riitaan varsinkin Englannissa. Kelvin oli Joulen puolella, irlantilainen John Tyndall Mayerin puolella. Royal Society lopetti kärhämän antamalla Joulelle ja Mayerille peräkkäisinä vuosina arvostetun Copley-mitalin. Mayerin tulos: 425 kgf m /kcal Oikea arvo: kgf m / kcal = kj/kcal

9 Ransk. Sadi Carnot ( ) kehitti lämpöoppia tutkimalla lämmön muuttamista mekaaniseksi energiaksi prosessissa, jossa energiaa siirtyy lämpönä kuumemmasta lämpövarastosta kylmempään (Carnot n kierto) Huomaisi, että lämpönä olevaa energiaa voidaan muuttaa mekaaniseksi työksi, mutta ei koskaan kokonaan. Hyötysuhde 1-T 2 / T 1. Carnot t työt johtivat myöhemmin termodynamiikan toisen pääsäännön keksimiseen.

10 Skott. William Thomson ( ), Lordi Kelvin, oli 1800-luvun suurimpia fyysikoita Julkaisi 600 paperia, enimmäkseen lämpöopista. Termodynamiikan perustaja. Uskoi eetteriin. Lordi Kelvin (William Thomson) When you can measure what you are speaking about and express it in numbers, you know something about it. Esitti termodynamiikan toisen pääsäännön muodossa Jotta Carnot n kone toimisi, lämpövarastoilla, joiden välillä energiaa siirretään, tulee olla eri lämpötila. Kelvin invented a new temperature scale (absolute temperature). Using it, the gas law of Boyle could be written as PV=RT.

11 Saks. Rudolf Clausius ( ) esitti toisen pääsäännön vaihtoehtoisen muotoilun: Ei ole olemassa sellaista prosessia, jonka ainoa vaikutus olisi energian siirtyminen kuumasta lämpövarastosta kylmää. Clausius keksi käsitteen entropia (S). Määritelmän mukaan entropia on kappaleeseen lämpönä (= lämpötilaerosta johtuen) siirtyvä energia jaettuna lämpötilalla. Kun energiaa siirtyy kuumasta kylmään, entropia kasvaa. Toinen pääsääntö voidaan silloin esittää muodossa Eristetyn systeemin entropia ei koskaan pienene. Clausius muotoili seuraavan luonnonlain: Kaikissa luonnollisissa prosesseissa on sisäänrakennettuna pyrkimys hyödyllisen energian dissipoitumiseen. Ludvig Boltzmann antoi entropialle myöhemmin mikroskooppisen sisällön.

12 Kineettinen teoria Kaasujen kineettinen teoria perustuu oletukseen, että aine koostuu molekyyleistä. Selittää aineen makroskoopppisen käytöksen mikroskooppisesti. James Clerk Maxwell esitti vuonna 1859 kaavan molekyylien nopeusjakautumalle kaasussa. Tämä oli kaikkien aikojen ensimmäinen tilastollinen fysiikan laki. Käytti pohjana Daniel Bernoullin ajatuksia, joita mm. Joule ja Clausius olivat kehitelleet. Molekyylien nopeusjakautuma eri lämpötiloissa. James Clerk Maxwell ( ) Maxwellin demoni. Ajatuskoe toisesta pääsäännöstä.

13 Ludvig Boltzmann generalized Maxwell s theory. He gave a probabilistic explanation for the seciond law of thermodynamics: Entropy increases in natural processes as the number of such states where the entropy (disorder) is larger than in the present state of the system is much bigger than the number of such states where the entropy is smaller than in the present state. Boltzmann derived the logarithmic formula of the entropy: S = k logw W = the number of microstates of the system k = Bolzmann s constant.

14 The win of the molecular theory In 1827 a Scottish botanist Robert Brown found by microscope a irregular motion of pollen grains in water, called Brownian motion. In 1905 Albert Einstein ( ) explained it using Boltzmann s kinetic theory. A French Jean Perrin verified Einstein s theoretical results experimentally in This was the final breakthrough of the molecular and atomic theory of matter. Earlier many physicists considered molecules and atoms just as abstract concepts introduced to help in formulating mathematical theories. 3 E = 2 kt

15 Fysiikka vuonna luvun lopussa tapahtui siirtyminen vanhasta fysiikasta uuteen fysiikkaan. Vanha fysiikka (klassinen fysiikka) Klassinen mekaniikka eli Newtonin mekaniikka Elektromagnetismi (Maxwell) Termodynamiikka Uusi fysiikka (moderni fysiikka) Suhteellisuusteoria (Einstein) Kvanttifysiikka (Planck, Einstein) Monet fyysikot ajattelivat 1800-luvun lopussa, että fysiikka oli tullut enemmän tai vähemmän valmiiksi ja jäljellä oli vain yksityiskohtien hiominen.

16 Esimerkkejä (Albert Michelson Viittaa William Thomsoniin, Lordi Kelviniin.) In this field, almost everything is already discovered, and all that remains is to fill a few holes." (Munchenin yliopiston fysiikan professori Philipp von Jolly neuvoi näillä sanoilla Max Planckia opiskelemaan jotain muuta kuin fysiikkaa.)

17 Itse asiassa fysiikan kehitys oli kaikkea muuta kuin pysähtynyt Suurin osa fysiikan tutkimustuloksista oli verrattain uusia, 1800-luvun jälkimmäiseltä puoliskolta, monet 1890-luvulta. Spektritutkimukset olivat paljastaneet monia uusia tuloksia, joita ei osattu selittää. Monet tosin pitivät näitä pikemminkin kemiaan kuin fysiikkaan kuuluvina asioina. Merkittävimmät uudet havainnot olivat: Purkausputkissa havaitut katodisäteet (William Crookes ja muut). Röntgenin säteet (William Röntgen 1895 ) Beeta-radioaktiivisuus ( uraanisäteily ) (Antoine-Henri Becquerel 1896) Elektronin löytyminen (J. J. Thomson 1897). Kritiikki Newtonin mekaniikan perusteita kohti voimistui uudelleen (esim. Ernst Mach). Kritiikki eetteriteoriaa kohtaan lisääntyi, samalla kun teoria oli ajautumassa umpikujaan muutenkin. Ajatus atomien ja molekyylien todellisesta olemassaolosta voitti kannattajia.

18 Spektrien tutkimusta prisman ja mikroskoopin avulla. Henri Becquerel löysi1896 radioaktiivisuuden uraanin valokuvauslevyyn jättämistä jäljistä. Purkausputki. William Röntgenin vaimon vasen käsi.

19 Yrityksiä yhtenäisen fysiikan teorian kehittämiseksi 1800-luvun lopulla nousi useita yrityksiä esittää koko fysiikka yhteisestä lähtökohdasta Mekanistinen lähestymistapa Newton ja Laplace: aineelliset hiukkaset ja etävoimat niiden välillä Boltzmann: termodynamiikka ja kaasujen kineettinen teoria Hydrodynaaminen lähestymistapa Sähkömagneettiset aallot näyttivät vaativan eetterin olemassaoloa Eetteripyörreteoria: hiukkaset ovat eetterin pyörteitä (Kelvin 1867, J. J. Thomson). Teoriaa sovellettiin elektromagnetismiin, gravitaatioon ja optiikkaan. Lopulta erilaisia eettereitä tarvittiin monia ja mallista tuli tehoton matemaattinen teoria. Teoria eli kuitenkin pitkää fyysikoiden mielessä, koska sen abstrakti rakenne kiehtoi. Esim. Hendril Lorentz (k. 1928) ei hylännyt teoriaa koskaan.

20 Energetiikka James Clerk Maxwell ( ) Energian muutokset, eivät hiukkaset, on kaikkien fysiikan ilmiöiden perusta (Helms, Ostwald ~1890). Mekaniikan lait seuraavat energetiikasta. Atomit ovat metafysiikkaa! Ostwald propagoi voimallisesti anti-atomistista näkemystään. Hän ei kuitenkaan pystynyt löytämään vakuuttavaa näyttöä ajatuksensa tueksi, tiedeyhteisö ei pahemmin noteerannut hänen lähestymistapaansa. Ostwaldilla oli kiivaita sananvaihtoja Boltzmannin kanssa. Ostwald Helms Boltzmann