Issuu on Google+

STROKOVNI PRISPEVEK

Bistvo energije je, da se ohranja KAKO JE POJEM ENERGIJE POENOTIL NARAVOSLOVNO ZNANOST dr. Sa{o Dolenc, www.kvarkadabra.net, spletni ~asopis za tolma~enje znanosti

Zakon o ohranitvi energije je pomemben mejnik v zgodovini znanosti. Omogo~il je namre~, da se je lahko vsa naravoslovna znanost kon~no poenotila oziroma na{la neki zakon, ki so ga lahko s pridom uporabljali na prav vseh podro~jih naravoslovja. Pojem energije je postal v sredini devetnajstega stoletja klju~en za poenotenje vse naravoslovne znanosti. Vsa podro~ja znanosti so lahko uporabljala isti pojem, kar je bil jasen znak, da imajo nekak{no skupno jedro in jih lahko obravnavamo v medsebojni povezavi. Prav tako pomeni vzpostavitev zakona o ohranitvi energije konec obdobja filozofije narave in za~etek fizike oziroma naravoslovne znanosti, kot jo poznamo danes. Feynman je ponudbo in{tituta, da pripravi novo serijo predavanj za bruce, z veseljem sprejel, a le pod pogojem, da lahko predavanja izveV za~etku {estdesetih let so na slav- de le enkrat samkrat. Ponavljanje `e nem Kalifornijskem in{titutu za tehno- povedanega ga namre~ ni zanimalo. logijo (Caltech) pripravljali prenovo Na Caltechu so se seveda zavedali, da uvodnih predavanj, ki jih {tudentje gre za zgodovinski dogodek, zato so skrbno posneli vsa Feynmanova predafizike poslu{ajo na za~etku svojega vanja in fotografirali vsako tablo, ki {tudija. Vodstvo Caltecha je `elelo jo je predavatelj popisal. Predavanja ustaljen kurikulum uvodnih predavanj, ki ga `e dolgo niso spreminjali, so hitro postala legendarna. Po neprilagoditi novim prelomnim spozna- kaj mesecih je bilo med ob~instvom njem na podro~ju fizike v prvi polo- v predavalnici `e skoraj ve~ profesorjev in raziskovalcev kot {tudentov. vici dvajsetega stoletja. Kar nekako V letih 1961–63 je Feynman na izvisamoumevno je bilo, da kot predaren na~in podrobno predstavil vsa vatelja k projektu povabijo svojega podro~ja klasi~ne in moderne fizike. najbolj karizmati~nega profesorja. Kmalu so predavanja iz{la tudi Richard P. Feynman je bil eden najv knji`ni obliki pod naslovom The izvirnej{ih, najzanimivej{ih pa tudi Feynman Lectures on Physics, ki jih najzabavnej{ih mislecev svoje geneu~itelji in {tudenti {e danes z zaniracije, ki je znal marsikatero zaplemanjem prebirajo. teno znanstveno teorijo predstaviti V enem od uvodnih predavanj je na lahkoten, vsakomur razumljiv in dostopen na~in. Pravi miti~ni status Feynman govoril o fizikalnem zakonu, ki bi ga lahko postavili v samo si je med kolegi pridobil, {e preden jedro moderne fizike, ~e ne kar vse je leta 1965 za svoje delo na podro~ju kvantne fizike prejel tudi Nobe- naravoslovne znanosti. Takole je za~el predavanje: lovo nagrado.

RICHARD P. FEYNMAN IN PRENOVA UVODNIH PREDAVANJ IZ FIZIKE

22

solnica_letnik-11_stev-2.indd 22

NARAVOSLOVNA SOLNICA

Obstaja pravilo […], ki ureja vse naravne pojave, ki jih poznamo. Prav nobene izjeme ni, ki tega pravila ne bi spo{tovala […] Imenuje se zakon o ohranitvi energije. To je zelo abstraktna ideja, saj gre le za matemati~no na~elo, ki pravi, da obstaja koli~ina, ki se ne spreminja, ko se kaj dogaja. Pri tem zakonu ne gre za opis kakega mehanizma ali ~esarkoli konkretnega, ampak le za nenavadno dejstvo, da lahko izra~unamo neko {tevilo, nato opazujemo naravo, kako izvaja svoje trike, in na koncu znova izra~unamo to {tevilo, pa bo imelo povsem enako vrednost.

SADI CARNOT – PRETAKANJE TOPLOTE KOT PRETAKANJE VODE Do klju~nih znanstvenih spoznanj, ki so pripeljala do formulacije zakona o ohranitvi energije, je pri{lo v prvi polovici devetnajstega stoletja. Zahodni svet je bil takrat `e sredi

LETNIK 11 / [T. 2 / ZIMA 2007

4/5/2007 9:23:26 AM


STROKOVNI PRISPEVEK industrijske dobe. Odpiralo se je vse ve~ tovarn, ki so si prizadevale s ~im manj stro{ki pove~ati produktivnost. Zastavljalo se je vpra{anje, ali obstajajo naravne meje pri tem, koliko dela je mogo~e opraviti v danih okoli{~inah, {e posebej z mehanskimi stroji, ki se ne utrudijo, kot se ljudje. Ima tudi narava vgrajene kak{ne meje, do katerih je mogo~e {e pove~evati izkoristek posameznih strojev? Eden prvih raziskovalcev, ki se je resno lotil {tudija na~el delovanja parnih strojev, je bil francoski fizik in voja{ki in`enir Sadi Carnot (1796–1832). ^eprav je `e dokaj mlad umrl za kolero in so zaradi narave njegove bolezni ve~ino njegovih zapiskov preventivno se`gali, se je kljub temu ohranilo kar nekaj njegovih spoznanj, ki jih imamo {e danes za temeljna na podro~ju {tudija toplotnih strojev. Carnota je zanimalo delovanje konkretnih parnih strojev, da bi z opazovanjem njihovega delovanja lahko razkril univerzalni princip delovanja idealnega naravnega toplotnega stroja. Carnot je posku{al delovanje parnega stroja razumeti po analogiji z vodnim mlinom, pri ~emer je vodo nadomestil kalorik. S to besedo so poimenovali domnevni materialni nosilec toplote, a v resnici ni nih~e prav dobro vedel, kaj naj bi ta beseda ozna~evala. Kalorik naj bi se, podobno kot voda pri vodnem mlinu, pretakal skozi razli~ne faze delovanja parnega stroja, posledica pretakanja pa je bilo opravljanje mehanskega dela. Klju~ni element analogije med vodo in kalorikom je bila ideja, da podobno kot voda poganja mlinsko kolo, ko pada z vi{je lege na ni`jo, tudi kalorik poganja parni stroj, ko njegova temperatura pada z vi{je na ni`jo. Pri parnem stroju je bila para le na~in za prena{anje kalorika iz dela stroja z vi{jo v del z ni`jo temperaturo. Padec vi{ine pri vodi je pri

Toplotni stroj je, zelo splo{no re~eno, naprava, ki zna pretvarjati toplotno energijo v mehansko delo. Prvi toplotni stroji, ki so ob odkritju povzro~ili pravo tehnolo{ko revolucijo, so delovali na osnovi spoznanja, da se voda ob izparevanju oziroma prehajanju iz teko~ega v plinasto stanje, ko jo segrevamo, volumsko mo~no raz{iri. Pojav je seveda nekaj vsakdanjega in ga sre~ujemo dan za dnem v kuhinji, ko nam za~ne recimo dvigovati pokrovko na loncu vrele vode. To silo, ki dviguje pokrovko med kuhanjem, zna parni stroj s posebnim mehanizmom pretvoriti v vrtenje kolesa. Parni stroj lahko tako poganja parno lokomotivo, ali pa opravlja katero koli drugo mehansko delo. samo {e odkriti je bilo treba, kak{na je njihova dejanska povezava. Eden prvih, ki je dobil idejo o univerzalnem pretvarjanju ene oblike energije v drugo, je bil Julius Robert von Mayer (1814–78), ko je kot ladijski zdravnik potoval po tropskih krajih. Takrat je bilo {e vedno zelo priljubljeno zdravljenje s pu{~anjem krvi, ki naj bi nekako uravnalo medsebojno razmerje telesnih teko~in in pregnalo bolezen. Ko je neko~ ve~ ~lanov posadke na ladji hkrati zbolelo in jim je Mayer po takratni doktrini izpustil nekaj krvi, je presene~en ugotovil, da je v tropih tudi ROBERT MAYER venozna kri zelo `ivo rde~a oziroma – UNIVERZALNO zelo podobna arterijski. Ta pojav so PRETVARJANJE ENERGIJ verjetno `e prej opazili tudi drugi ladijski zdravniki, ki so pluli po tropV za~etku devetnajstega stoletja se skih morjih, a mu nih~e ni posve~al je veliko takratnih u~enjakov za~elo pretirane pozornosti. Mayer je bil zanimati tudi za medsebojne odnose prvi, ki se je kot naravoslovec vpramed razli~nimi naravnimi silami {al, kje je vzrok za tako `ivo barvo in mo~mi, ki so jih takrat poznali. venozne krvi? Kmalu je na{el tudi Z raziskavami na podro~ju elektrike prepri~ljiv odgovor: ker ~love{ko telo in magnetizma so namre~ pri{li v toplih krajih ne porabi toliko kisika do spoznanja, da kalorik ni edina za ohranjanje toplote kot v hladnejnaravna sila, ki lahko opravlja delo. {ih krajih, ostane v venozni krvi ve~ Tako je postalo pomembno vprakisika, kar ji da zna~ilno `ivo barvo. {anje, kako lahko ena vrsta sile Na podlagi te ugotovitve je postavil povzro~i nastanek druge. Za iskanje hipotezo, da se v ~love{kem telesu, povezave med delovanjem razli~nih kot tudi drugje v naravi, razli~ne naravnih sil je pomemben tudi vpliv energije le medsebojno pretvarjajo iz romanti~ne filozofije, ki je verjela ene oblike v drugo, celotna koli~ina v nekak{no globinsko povezanost energije pa se ohranja. Mayer sicer in enotnost vse narave. Misleci, ki ni imel formalne fizikalne in matemaso izhajali iz romanti~nega kroga, ti~ne izobrazbe, saj je bil le zdravnik, so bili trdno prepri~ani, da so razzato svojih ugotovitev ni opisal na li~ne naravne sile nekako povezane, na~in, ki je bil takrat ustaljen v znankaloriku nadomestil padec temperature. Iz te analogije je bilo mo~ razumeti, da se skupna koli~ina kalorika ohranja, prav tako kot se ohranja skupna koli~ina vode. Da se proces lahko ponavlja, je treba le spraviti vodo nazaj na vi{jo lego oziroma kaloriku ponovno povi{ati temperaturo. Pri tej ideji, ko pretakanje kalorika primerjamo s pretakanjem vode, se je torej koli~ina kalorika ohranjala, saj je ta lahko proizvajal delo, ne da bi se izrabljal.

LETNIK 11 / [T. 2 / ZIMA 2007

solnica_letnik-11_stev-2.indd 23

NARAVOSLOVNA SOLNICA

23

4/5/2007 9:23:26 AM


STROKOVNI PRISPEVEK stvenih krogih. To je verjetno tudi razlog, zakaj ga sprva nih~e ni jemal resno. [ele proti koncu `ivljenja, ko je `e skoraj obupal, da ga bodo kdaj zares priznali kot resnega znanstvenika, so njegove spise odkrili drugi ugledni fiziki in mu izrekli priznanje. Za odkritje Mayerjevega prispevka pri formulaciji univerzalnega zakona o ohranitvi energije ter za nadaljnji razvoj pojma energije, je bil zaslu`en nem{ki fiziolog Hermann von Helmholtz (1821–94). Njegov klju~ni prispevek k naravoslovni znanosti so predvsem konkretni dokazi, da so tudi `iva bitja nekak{ni mehanski in kemi~ni stroji. Z natan~nimi {tudijami fiziologije `ivih bitij je pokazal, da je mogo~e tudi delovanje `ive narave zelo dobro pojasniti s povsem mehanskimi na~eli. Žive sile, ki je do tedaj nekako poosebljala nematerialni vzrok, ki lahko o`ivi bitja v naravi, za razlago delovanja `ive narave ne potrebujemo nujno. Tudi za `iva bitja velja, podobno kot za ne`ivo naravo, na primer zakon o ohranitvi energije.

da bi enake re{itve lahko uporabil tudi za umetno ustvarjene stroje. Thomson je v seriji ~lankov, ki jih je objavil v sredini devetnajstega stoletja, postavil temelje sodobne termodinamike. Zapisal je oba temeljna zakona termodinamike: zakon o ohranitvi energije in entropijski zakon. S prvim zakonom termodinamike je opisal ohranitev skupne koli~ine dela in toplote. V termodinami~nih procesih se eno pretvarja v drugo, skupna koli~ina energije pa se ohranja. Thomson je bil tudi prvi, ki je za~el uporabljati pojem energija v pomenu, kot ga poznamo danes v fiziki. Pred tem je beseda energija lahko pomenila tako silo kot tudi mo~. Zelo pomembna pa je bila tudi formulacija drugega zakona termodinamike, ki je vplivala tudi na takratno dojemanje narave oziroma sveta kot celote. Bistvo drugega zakona termodinamike je namre~, da zaloga dela, ki ga lahko opravi narava, ni neskon~na. Pri pretvarjanju toplote v delo se v delo nikoli ne more pretvoriti prav vsa toplota, ampak je del ostane v obliki toplote. V idealnem JAMES PRESCOTT JOULE primeru toplotnega stroja je razmer– FAKTOR PRETVORBE MED je med oddano in sprejeto toploto TOPLOTO IN DELOM kar enako razmerju med obema absolutnima temperaturama, pri Razprave, povezane s pojmom enerkaterima se to dogodi. gije, so se sprva mo~no naslanjale Ugotovitev, da je dele` toplote, ki se tudi na ekonomsko teorijo. V osprelahko pretvori v delo, odvisen od dju je bila vzporednica med u~inkovitemperaturne razlike, je pomenila, tostjo delovanja narave in delovanja da lahko pride v kon~nem primeru, LORD KELVIN – KOLIČINA ZA ko ne bi bilo ve~ nobenih temperaturdru`be oziroma nastajajo~ega kapitalisti~nega sistema. V okviru ekono- DELO UPORABNE ENERGIJE nih razlik, do tako imenovane toplotmije je imelo velik pomen raziskova- SE S ČASOM MANJŠA ne smrti vesolja. Zaloge energije, ki nje tega, kako neki sistem pripraviti je v naravi na voljo za opravljanje Tudi za Williama Thomsona do tega, da bo deloval ~im u~inkomehanskega dela, torej niso neskonviteje. Povsem na mestu je bilo torej (1824–1907), ki ga bolje poznamo ~ne. Koli~ina energije, ki se jo lahko tudi vpra{anje, kako pripraviti nara- kot lorda Kelvina, je narava predstav- uporabi za opravljanje dela, se torej ljala predvsem velikanski parni stroj. s ~asom zmanj{uje. Sklep iz drugega vo do tega, da bo ~im u~inkoviteje Iskanje ~im u~inkovitej{ega stroja je opravljala delo za ljudi. zakona termodinamike je bil na neki Poleg ekonomskega motiva za razis- hkrati razumel tudi kot iskanje na~el, na~in pesimisti~en. Koli~ina za ~lokovanje delovanja naravnih in umet- po katerih deluje narava. Želel je veka koristne energije v naravi se odkriti, kako narava izvaja procese, nih strojev je bil pomemben tudi s ~asom ireverzibilno zmanj{uje.

24

solnica_letnik-11_stev-2.indd 24

teolo{ki motiv. Veliko intelektualcev je bilo namre~ prepri~anih, da je Bog ustvaril naravo tako, da deluje kar se da popolno. Iskanje popolnega stroja je bilo hkrati tudi pribli`evanje Bogu in popolnosti, ki jo je ta zapisal v samo naravo. Osrednja osebnost tak{nega pristopa k raziskavam na podro~ju energetike strojev je bil James Prescott Joule (1818–89). Njegov zametek zakona o ohranitvi energije izhaja prav iz prepri~anja, da se tistega, kar je Bog ustvaril, ne da uni~iti oziroma izni~iti z naravnim procesom. Takole je zapisal: »Pojavi v naravi, naj bodo mehanski, kemi~ni ali `ivljenjski, temeljijo skoraj povsem na neprestanem medsebojnem pretvarjanju privlaka na daljavo, `ivih sil in toplote.« Joule je bil sin bogatega lastnika pivovarne, tako da z denarjem ni imel te`av in se je lahko v miru ukvarjal z eksperimenti na podro~ju delovanja strojev. Njegov morda najpomembnej{i prispevek k znanosti o energiji je bila to~na meritev pretvorbenega koli~nika med opravljenim delom in toplotno energijo. Joule je prvi natan~no izmeril, za koliko se segreje dolo~ena koli~ina vode, ~e recimo z me{anjem opravimo neko mehansko delo. To je bila klju~na meritev, ki je omogo~ila natan~no obravnavanje in prera~unavanje pretvarjanja ene vrste energije v drugo energijo oziroma v opravljeno mehansko delo.

NARAVOSLOVNA SOLNICA

LETNIK 11 / [T. 2 / ZIMA 2007

4/5/2007 9:23:26 AM


/Bistvo+energije+je%2C+da+se+oh