קלוריק
תאוריית הקלוריק היא תאוריה מדעית ארכאית לפיה חום הוא זורם (כמו נוזל או גז) המכונה קלוריק, הזורם מגופים חמים לגופים קרים. הקלוריק נחשב לגז חסר משקל, המסוגל לנוע מתוך ולתוך נקבוביות במוצקים ובנוזלים. תאוריית הקלוריק נזנחה באמצע המאה ה-19 לטובת תאוריית החום, אך נותרה בספרות המדעית עד סוף המאה ה-19.[1]
היסטוריה מוקדמת
בהיסטוריה של התרמודינמיקה, קיים בלבול רב בין ההסברים הראשונים של חום ושל בעירה. לאחר שיוהאן יואכים בכר וגאורג ארנסט שטאל הציגו את תאוריית הפלוגיסטון באמצע המאה ה-17, פלוגיסטון נחשב ל"מהות החום".
את תאוריית הקלוריק הציע לראשונה אנטואן לבואזיה. לבואזיה הסביר את תופעת הבעירה במונחים של חמצן בשנות ה-70 של המאה ה-18. במאמרו משנת 1783, "Réflexions sur le phlogistique", טען לבואזיה כי תאוריית הפלוגיסטון אינה מתיישבת עם תוצאותיו הניסיוניות, והציע "נוזל מרומז" המכונה "קלוריק", וקרא לו "מהות החום".
לפי התאוריה, הכמות של חומר זה קבועה ברחבי היקום, והוא זורם מגופים חמים לגופים קרים. בשנות ה-80 של המאה ה-18, יש שהאמינו כי הקור הוא נוזל, "פריגוריק". פייר פרבו (Pierre Prévost) טען כי קור הוא פשוט העדר קלוריק.
מכיוון שחום היה חומר ממשי בתאוריית הקלוריק, ולכן לא ניתן ליצור או להשמיד אותו, שימור החום היה הנחה מרכזית.[2]
ניסוייו של ג'וזף בלק בחקר התכונות התרמיות של חומרים השפיעו גם הם על הצגת תאוריית הקלוריק. זולת תאוריית הקלוריק, התקיימה בשלהי המאה ה-18 תאוריה אחרת שיכלה להסביר את תופעת החום: התאוריה הקינטית של הגזים. שתי התאוריות נחשבו לשוות ערך באותה עת, אולם תאוריית הקלוריק הייתה החדשה מבין השתיים, כיוון שהשתמשה במספר רעיונות מהתאוריה האטומית, ויכלה להסביר גם בעירה וגם קלורימטריה.
הצלחות
ניתן לנסח מספר הסברים מוצלחים, וכך אכן נעשה, תוך שימוש בהנחות תאוריית הקאלוריק. ניתן להבין מדוע כוס תה מתקררת בטמרפטורת החדר: הקלוריק דוחה את עצמו, ולכן זורם באיטיות מאזורים צפופי-קלוריק (המים החמים) לאזורים דלילים יותר (האוויר הקר יותר שבחדר). ניתן להסביר גם את תופעת ההתפשטות של אוויר חם: קלוריק נספג לתוך מולקולות האוויר, ומגדיל את נפחן. אם ננסח עוד הסברים לגבי מה קורה לקלוריק בתהליך הספיגה הזה, ניתן להסביר את הקרנת החום, מעברי פאזה של חומר בטמפרטורות שונות, ולהסיק כמעט את כל חוקי הגזים.
סאדי קרנו פיתח את העקרון הבסיסי של מנוע קרנו, שעדיין מהווה את הבסיס לתאוריית מנוע החום, בהתבסס על תאוריית הקלוריק בלבד.
יצירת התנועה במנוע הקיטור באה תמיד כרוכה בדבר, שראוי לתת עליו את הדעת, וזו יצירת שיווי־המשקל של החומר הקאלורי, כלומר: העברתו מגוף שהטמפרטורה שלו גבוהה אל גוף שהטמפרטורה שלו נמוכה ממנו. מה נעשה באמת במנוע קיטור הנמצא בפעולה ממש? החומר הקאלורי הנוצר בתנור על ידי השריפה עובר את כתלי הדוד, ומוליד את הקיטור, ומתגלם בו כביכול. הקיטור נושא אותו קודם אל הגליל, שם הוא מבצע תפקיד מסוים, ומשם אל העבה; שם נהפך הקיטור לנוזל במגעו עם המים הקרים הנמצים שם. המים הקרים של המעבה קולטים את אפוא בסופו של דבר את החומר הקאלורי הנוצר בשעת שריפה...הקיטור אינו כאן אלא אמצעי להעברת החומר הקאלורי...הכח המניע נוצר אפוא במנוע הקיטור לו על כילוי החומר הקאלורי ממש, אלא על ידי העברתו מגוף חם לגוף קר, כלומר על ידי יציר שיווי משקל
— סאדי קרנו, הגיונות על הכח המניע של האש
אולם, אחד האישושים החשובים ביותר של תאוריית הקלוריק היה התיקון התאורטי שביצע פייר סימון לפלס למשוואת הפולס של אייזק ניוטון. לפלס, שתמך בתאוריית הקלוריק, הוסיף לקבוע למשוואה של ניוטון, הידוע כיום בתור יחס קיבול החום של גז.[3] תוספת זו לא רק שתיקנה באופן משמעותי את התחזית התאורטית של מהירות הקול, אלא גם המשיכה לספק תחזיות מדויקות יותר למשך כמעט מאה, כאשר מדידות של היחס הפכו למדויקות יותר.
חקר גבישים בפיזיקת מצב מוצק מודרנית משקף צל של תאוריית הקלורית הזנוחה. תנודות שריג של גבישים, הנושאות אנרגיה תרמיות, מקוונטטות ויש להן דואליות גל-חלקיק. הייצוג החלקיקי של ויברציות שריג מכונה פונון, בהקבלה לפוטון.
התפתחויות מאוחרות
ב-1798, פרסם בנג'מין תומפסון (הרוזן רמפורד) מאמר בשם "חקירה ניסיונית אודות מקור החום המעורר על ידי חיכוך", דיווח אודות מחקרו בעניין החום המופק בעת ייצור תותחים. תומפסון מצא כי קידוח חוזר ונשנה בתותח לא פגע ביכולתו לייצר חום, כלומר לא גרם לאיבוד קלוריק. תוצאה זו הביאה אותו להאמין כי לא ייתכן כי קלוריק הוא "חומר" המציית לחוק שימור, אם כי התעוררו ויכוחים רבים לגבי אי-הוודאות הניסיונית בניסוייו.
תוצאותיו לא נראו כאיום לתאוריית הקלוריק באותה עת, כיוון שזו נחשבה לשוות ערך לתאוריה הקינטית של הגזים.[4] למעשה, לפי חלק מבני זמנו, התוצאות דווקא סייעו להבנה של תאוריית הקלוריק.
ניסויו של תומפסון הווה השראה לעבודתו של ג'יימס ג'ול ואחרים לקראת אמצע המאה ה-19. ב-1850 פרסם רודולף קלאוזיוס מאמר בו הראה כי שתי התאוריות אכן תואמות אחת את השנייה, כל עוד חוק שימור החום הוחלף בחוק שימור האנרגיה. בדרך זו נכנסה תאוריית הקלוריק לדברי ימי הפיזיקה, והתפתחה לתרמודינמיקה המודרנית, בה חום הוא מעבר של אנרגיה קינטית של מולקולות.
ביבליוגרפיה
- Fox, R. (1971). The Caloric Theory of Gases. Clarendon Press: Oxford.
- Chang, H.S. (2003). "Preservative realism and its discontents: Revisiting caloric". Philosophy of Science. 70 (5): 902–912. doi:10.1086/377376.
- Mendosa, E. (בפברואר 1961). "A sketch for a history of early thermodynamics". Physics Today: 32–42.
{{cite journal}}: (עזרה)
הערות שוליים
- ^ מהדורה משנת 1880 של "A Guide to the Scientific Knowledge of Things Familiar" ספר מדע חינוכי מהמאה ה-19, הסבירה מעבר חום במונחים של זרימת קלוריק
- ^ ראו, לדוגמה, את מאמרו של סאדי קרנו משנת 1824, הגיונות על הכח המניע של האש Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu
- ^ Pierre-Simon Laplace (1816). Sur la vitesse dus son dans l'air et dans l'eau. In Annales de Chimie et de Physique.
- ^ ראו לדוגמה את פרסומו של לבואזיה משנת 1783, Mémoire sur la chaleur, lu à l'Académie royale des sciences, le 28 juin 1783, par MM. Lavoisier et de La Place