Pewnego razu uczeni zaproponowali dwa konkurencyjne sposoby wytłumaczenia zjawisk cieplnych. Oba wyglądały dość rzetelnie, ale jedno z nich okazało się fałszywe. Mimo to, przez długi czas było bardzo użyteczne i uznawane za jak najbardziej prawdziwe. Mowa o tzw. ciepliku.
Przegląd pojęć
Może zanim opiszę jak ów cieplik zapisał się w historii fizyki, najpierw kilka słów o terminologii. W języku potocznym słowo „ciepło” ma aż trzy znaczenia i tylko jeden z nich jest tym „ciepłem” o które chodzi fizykom. Będzie więc wysoce pożytecznym, by krótko uściślić stosowane pojęcia.
Po pierwsze temperatura. Potocznie mówimy, że coś jest ciepłe lub zimne; latem na dworze jest ciepło, a chory ma rozpaloną, ciepłą głowę. Ponieważ często używany termometru, więc dość dobrze czujemy czym jest temperatura i na ogół nie mamy kłopotów, by wiedzieć, że to nie jest ciepło.
Po drugie energia wewnętrzna. Często potocznie mówi się, że wanna gorącej wody ma więcej „ciepła” niż szklanka wody o tej samej temperaturze. Tyle tylko, że fizycy nie mówią na to coś „ciepło” tylko właśnie energia wewnętrzna. Czasami używa się pojęcia energia cieplna, które jest lepsze z punktu widzenia intuicji, ale owa energia niekoniecznie musi zależeć tylko od temperatury, więc fizycy wolą termin „wewnętrzna”.
I po trzecie ciepło. Tak fizycy nazywają sam proces przekazywania energii w procesach cieplnych – trochę masło maślane. Tak w ogóle to są dwa sposoby na przekazanie energii: praca i ciepło. Praca jest wtedy, gdy działa siła i dzięki temu działaniu coś zmieniło położenie, ten drugi sposób to właśnie ciepło. Niektórzy narzekają, że lepiej byłoby mówić o przepływie cieplnym energii. Wynika z tego, że jeśli ktoś ma w instalacji grzewczej ciepłomierz, to jego wskazania mają pokazywać właśnie to, co fizycy nazywają ciepłem.
Co nam dał cieplik
Wróćmy jednak do cieplika. Konkurował on z podejściem, w którym za zjawiska cieplne odpowiada ruch chaotyczny atomów czy cząsteczek, czyli tak jak dziś są one rozumiane. Cieplik miał być czymś w rodzaju fluidu wytwarzającego pole sił, które miało otaczać atomy. Jeśli jedno ciało ogrzewało drugie, oznaczało to, że to pierwsze oddawało jakąś porcję cieplika temu drugiemu. Idea ta zrodziła się mniej więcej w połowie XVIII wieku.
Podejście cieplikowe miało tę zaletę, że pozwalało wiele rzeczy obliczyć. Na przykład dlaczego cząsteczki w ciele stałym tworzą stabilne struktury – dzieje się tak gdy przyciągająca siła grawitacji zrównuje się z odpychającą siłą cieplikową. Tłumaczenie od czapy, ale wtedy wydawało się bardziej rozsądne. Swoje główne zasługi cieplik miał w termodynamice. Sformułowano niektóre jej prawidła: na przykład zjawisko przewodnictwa cieplnego, formuły dotyczące ciepła właściwego czy zasady rządzące silnikami (cykl Carnota).
Wbrew faktom?
Wydawałoby się, że na przełomie wieków XVIII i XIX ideę cieplika zniszczy B. Thomson zwany hrabią Rumfordem, który w swoim dorobku ma wiele najrozmaitszych wynalazków. Losy życiowe zaprowadziły go do Bawarii, gdzie nadzorował wykonywanie armat dla wojska. Zauważył, że po wywierceniu dziury z odlewie, metal bardzo się nagrzewa. Skąd więc brał się cieplik? Odlew nie miał skąd go brać, bo i wiertło jak i wiercony metal na początku były zimne. Przeprowadził nawet eksperymenty, w których zanurzał metalowy walec i wiertło w wodzie. W trakcie wiercenia woda podgrzewała się i w końcu wrzała. Powtórzmy pytanie: Skąd wziął się tam cieplik skoro początkowo wszystko było zimne? Wydaje się, że tak efektowny eksperyment wystarczy żeby pogrążyć cieplika jako niezgodnego z faktami. Ale tak się nie stało.
Dlaczego?
Po pierwsze swoisty konserwatyzm fizyków. Mamy uznaną teorię – akurat cieplika – więc ją wykorzystujemy dopóki można. Swoją drogą, ciekawe czy przyszłe pokolenia będą tak samo się śmiały ze współczesnych fizyków, spokojnie żyjących z cieniem ciemnej materii, jak my śmiejemy się z dziewiętnastowiecznych fizyków, którym w dobrym samopoczuciu nie przeszkadzały doświadczenia Rumforda?
Po drugie brak konkurencji – podejście kinetyczne nie umiało jeszcze nic policzyć. Trzeba było dopiero talentu Maxwella (tego od równań pola e-m), Boltzmanna i Gibbsa, by kilkadziesiąt lat później tchnąć życie w model chaotycznego ruchu cząsteczek.
Po trzecie Rumford był dziwakiem i jakoś jego dziwactwo pozwalało nie traktować jego wniosków poważnie.
Po czwarte znajdowano (niezbyt mądre, ale zawsze) wytłumaczenia: Wiertło ścina skrawek metalu. Odrywając taki skrawek uwalniamy część cieplika, która ujawnia się przez wzrost temperatury metalu.
W końcu cieplika porzucono. Coraz dokładniejsze doświadczenia zostawiały coraz mniej wątpliwości. W latach 40-tych XIX wieku sformułowano pierwszą zasadę termodynamiki, w której nie ma miejsca dla cieplnego fluidu. Kto tego dokonał? Lekarz (Mayer, 28 lat), fizjolog (Helmohtz, 32 lata), inżynier (Colding, 27 lat), przemysłowiec (Joule, lat 25). Jak widać to ludzie młodzi i nie ma wśród nich zawodowych fizyków.
A wracając do tematu z poprzedniej notki o teoriowym płodozmianie. Jak widać to nieprawda, że starsze teorie są zawsze połykane przez nowsze, stanowiąc przypadek szczególny. Teoria cieplika okazała się jak najbardziej fałszywa i powędrowała na śmietnik. Mimo to, jej następczyni musiała odtworzyć wcześniej uzyskane wyniki. Tym bardziej, że zostały sprawdzone doświadczalnie.
* * *
Notkę zakończę prześlicznym cytatem z książeczki Antoniego Magiera „Fizyka dla dzieci czyli łatwe i proste tłumaczenie niektórych tey nauki części” napisanej w roku 1825. Ma ona formę dialogu pomiędzy dziećmi a fizykiem Teonem. Zobaczmy, co ciekawego ma on do powiedzenia o temacie dzisiejszej notki:
Teon: Weźmy teraz kawałek drewna, które się nam nie zdaie ani ciepłe ani zimne, weźmy drugi kawałek drewna trzyymy prędko iedno o drugie, dotknąwszy się tego drewna, tam gdzie było tarte, czuiemy że iest ciepłe. Dla czego ciepłe? czy od powietrza ? Nie, w izbie iest chłodno. Czy od naszey ręki? I to nie, bo ręka była z daleka. Z czegóż więc? Musi coś być w drzewie samem, cośmy przez tarcie wydobyli. Otóż to nazywa się Cieplik. Cieplik więc iest w każdej rzeczy, czy ta iest twarda czy miękka, albo iest sucha albo się leie.
Zofia: Czy można widzieć ten cieplik iaki on iest?
Teon: Widzieć go nie można, ale przez dotykanie czuć się daie. Tak w ziarkach rzepaku albo lnu tłustości nie widzimy, iednak wytłaczaiąc ie, oleiu obficie otrzymamy. Cieplik się dobywa z ciał różnemi sposobami. Przez słowo ciało rozumieć się będzie, nie tylko nasze ciało, ale każda rzecz którey dotykać się możemy. Wszak szoruiąc szybko ręką po sznurze, czuiemy ciepło, leiąc wodę do okowitki że się szybko z nią miesza, wydobywa się cieplik i wódka będzie ciepła i t. p. Wydobyty cieplik z iednego ciała zaraz się roschodzi czyli wsiąka w drugie ciało, którego się dotyka, tak iak oley roschodzi się i wsiąka do suchey bibuły lub płótna;
(…) Trzeba iescze wiedzieć, że cieplik w każde ciało wpływając, rozszerza ie i nadaie mu większą obiętość, czyli że ciało natenczas większego potrzebuie mieysca; ale gdy to ciało ostygnie, do swoiego powraca stanu. Dla tego dusza od żelazka, gdy iest zimna lekko wchodzi w żelazko, a gorąca ledwie co się w nie zmieści,
Cytat ten dedykuję sobie, bo przecież w kilkudziesięciu notkach o fizyce też piszę tak, jakby wszystko było w nich najprawdziwszą i najpewniejszą prawdą, a nie tylko etapem w zdobywaniu wiedzy, który być może trzeba będzie porzucić na rzecz nowszych odkryć i poglądów.
