Az energia tanításának története

(Szakdolgozat)

 

 

Készítette: Bognár Gergely

(ELTE-TTK fizika)

Témavezető: Martinás Katalin

(ELTE-TTK Atomfizika

Tanszék docens)

 

Bevezető:

A fizika fontossága:

         Korunk fizikatanárai új kihívások elé néznek. A közép és általános iskolában az óraszám csökken. Az iskolákban a fizika szertárak állapota romlik, egyre kevesebb pénzt fordítanak fejlesztésükre, vagy kiépítésükre. A fizika tantárgy iránti elvárás azonban nőt. Az órákon nem pusztán az elméleteket és a hozzájuk kapcsolódó példákat kell a diákoknak megérteniük, hanem egy korszerű természettudományos világképet kell kialakítani. Száraz, képlet fizika mellett gyakorlati példákhoz, eszközökhöz kell kötni a tananyagot. A gyerekek ne csak képleteket lássanak, hanem a képletek mögött fedezzék fel saját világuk jelenségeit is. A száraz, tudományos fizika mellett, a gyakorlati más tudományokhoz (biológia, kémia, földrajz) kapcsolódó életszagú fizikát kell oktatni. A gyerekekben modern természettudományos világképet kell kialakítani, és ehhez nem elég a száraz elméletet megtanítni.

            Korunk sokat emlegetett jelszava: tudás alapú társadalmat kell létrehozni, mely megfelel az új évezred kihívásainak. Egy valóban tudásalapú társadalom elképzelhetetlen természettudományos világkép nélkül. A természettudományos világkép alapja a fizika. Ezért, ha egy ilyen társadalmat szeretnénk felépíteni, nem feledkezhetünk el a fizika oktatásáról, és nem szoríthatjuk háttérbe. Ha korunk erkölcsi, gazdasági, politikai kérdéseit nézzük, nem kaphatunk teljes képet természettudományos, és különösen fizikai ismeretek nélkül. Nézzünk néhány példát: globális felmelegedés, új energiahordozók, űrkutatás, tömegkommunikáció, hatékonyabb termelés, energiatakarékosság stb. (mindegyikhez közvetlenül a fizika kapcsolódik). A XIX. század kihívásainak megfelelni kívánó társadalom nem szoríthatja a fizikát háttérbe!

A fizikának azonban más szerepe is lehet. Korunkban az iskolákban nehéz erkölcsi nevelést folytatni. Egymástól különböző világnézetek és erkölcsi felfogások ütköznek. Különösen jól példa erre a XX. század második felének történelemórán történő feldolgozása. Szinte lehetetlen ezt a kort úgy tanítni, hogy erkölcsi vagy politikai vonatkozása ne legyen. A humán tantárgyak nehezen felelnek meg, a modern erkölcsnevelésnek. A fizika, mint azt Marx György Fizikatanítás és erkölcsi nevelés cikkében kifejtette, alkalmas lenne arra, hogy megfelelő módon erkölcsi nevelést biztosítson a felnövekvő generációknak.[1]

Néhány adat a fizikaoktatás eredményességéről:

Annak ellenére, hogy a fizika oktatás nélkülözhetetlen a tudásalapú társadalom megteremtésében, az óraszámokat csökkentik. A tanároknak a leszűkített óraszámok mellett kell elvégezniük a fent vázolt feladatokat. Ez sajnos nehezen vagy egyáltalán nem sikerül. Nemzetközi felmérések mutatják, hogy hazánk 7-8 osztályos tanulói, akik fizikát még alig tanultak, messze a nemzetközi átlag feletti eredményeket érnek el a fizikatesztekben, előzetes fizika és természettudományos ismereteik átlag felettiek. A középiskolai fizikaoktatás végére ez az eredmény sajnos elromlik, és teljesítményünk elmarad a nemzetközi átlagtól.[2]  Másrésztől az egyetemi oktatók évek ót arról panaszkodnak, hogy a hallgatók egyre hiányosabb fizikaismeretekkel kerülnek az egyetemre. A felmérésből látszik, hogy nem diákjainkkal van a baj, hiszen ők, míg fizikát nem, vagy csak alig tanultak a nemzetközi átlag felett teljesítettek, miután a középszintű fizikaoktatás végére értek eredményük leromlott az átlag alá. Ezért egyértelműen a fizikaoktatás tehető felelőssé. Szintén a fizikaoktatást terheli, hogy középiskolában a fizika iránti attitűd a kémia mellett az utolsók között szerepel.[3] Az eredményekből világosan látszik, hogy a fizikaoktatás hazánkban nem kellőképpen szolgálja a diákok fejlődését. Az előző részben hosszasan ecseteltem, hogy fizikát milyen fontos tanítani, és milyen fontosak a fizika tudományához kapcsolódó ismeretek. Ennek a kihívásnak azonban a vázolt felmérések alapján nem felel meg a jelenlegi fizikaoktatás!

A problémák közül egy:

            A fizikaoktatás nem teljesen tekinthető eredménytelennek, hiszen a nemzetközi versenyeken még mindig átlag felett teljesítünk. Az átlag gyerekek oktatásában azonban kevésbé eredményes. Ennek számtalan oka van. Ezek közé tartozik a már többször említett, óraszám csökkenés, a kísérletezés hiánya, különösen a tanulói kísérletezés. Sok egyéb oka is van a fizikaoktatás hibáinak, ezeket nem célom feltárni, pusztán egy fogalmi zavarra szeretném felhívni a figyelmet. Ez nyilvánvalóan kevésbé súlyos, mint a csökkenő óraszám vagy a kísérletezés hiánya és a tanári állomány felhígulása. Ezek orvoslása mellett nem szabad elfeledkeznünk a kisebb, de fontos problémákról, mert ha egy fogalom mely a fizika minden területén megjelenik, és értelmezésével gondok vannak, akkor a fizikaoktatás eredményessége csökkenhet. Ez a fogalom, pedig nem más, mint az energia. Az energia az egész fizikát végigkíséri, túlzás nélkül állíthatjuk, hogy ez a fizika egyik legfontosabb fogalma. Ha a gyerekek nem értik az energiát, akkor az egész fizika is érthetetlenné válik számukra. Ezek után felmerül a kérdés, mi a probléma az energiával, és hogyan lehetne ezt orvosolni? A fizikatanítása bajai között nem az energia szerepel az első helyen. Dolgozatomban mégis arra szeretném felhívni a figyelmet, hogy az energiát félreérthető módon tanítjuk a középiskolákban. 

            A tankönyveket megvizsgálva azt látjuk, hogy az energia egyszer, mint munkavégző képesség, valamiféle erőként szerepel, máskor pedig, mint megmaradó mennyiség.[4] A probléma oka, hogy egy hétköznapi és egy fizikai energia fogalommal rendelkezünk, a kettő nem egyezik meg, és mást jelent mindegyik.[5] A fizikai energiafogalom bevezetésénél sokszor felhasználják a hétköznapi energiát, amit a gyerekek már ismernek, nem különítik el, és nem mondják meg, hogy a fizikában nem a hétköznapi energiát használjuk. A diákok fejében ezért keveredik a kettő, és fogalmi zavart okoz. A tankönyvek néha az energiát, mint valamiféle kézséget, képességet definiálják, máskor pedig, mint megmaradó mennyiséget, ezen kívül egyéb hibákat is észrevehetünk a tankönyvek energia bevezetésénél.

            Egy amerikai felmérés szerint az iskolákban tanított energia nem biztos, hogy megegyezik a tudományos energia fogalommal. A fizikaoktatásban az energiát nem egységes fogalomként tanítják. A tananyagban a nem tudományos energia fogalom is szerepel. Mindez természetesen nehezíti, sok gyerek számára lehetetlenné teszi az energia megértését. Az energia nélkül azonban elképzelhetetlen a fizika megértése.[6] Egy másik szintén amerikai felmérés, mely a diákok energiáról szóló ismereteit vizsgálta tíz energia felfogást különített el:[7]

  1. Az energia az emberekkel kapcsolatos, hozzájuk köthető mennyiség.
  2. Maguknak, a dolgoknak van energiájuk.
  3. Energia, mint valamiféle eszmény
  4. mm
  5. Az emberi tevékenységhez köthető fogalom.
  6. Általánosított fűtőanyag.
  7. Valamiféle folyadékszerű dolog, mely folyamatok során átadódik.
  8. Tudományos fogalom, folyamatok során az egyik rendszerből a másikba áramlik át.

A felmérésből jól látszik, hogy több elképzelés él az energiáról, és ezek közül nem mindegyik áll szöges ellentétben a másikkal. Ezért a diákok nem veszik észre, hogy más energiáról van szó, mint ami bennük él. Saját, legtöbbször előzetes energia fogalmukat össze tudják egyeztetni az iskolában tanulttal, legalább is addig, míg az energia megmaradásra nem kerül a sor. Ezek után azonban érthetetlenné válik az energia, mert bennük egy nem megmaradó fogalom él. Mindez érthetetlenné teszi az energiát, és ezáltal a fizikát is. Az energia a modern természettudományos világkép kialakításához elengedhetetlen. A probléma azért is súlyos, mert az iskolákban mást értenek biológia, földrajzórán energia alatt, és mást a fizika óra alatt. A közgazdaságtanban, hétköznapi nyelvünkben is mást jelent az energia, mint a fizikában. Természetesen nem arról van szó, hogy a biológusok, földrajztanárok, közgazdászok egy hibás, valójában nem létező fogalmat használnának. A probléma oka az, hogy az energiának több jelentése is van. Az említett tudományok mást értenek energia alatt, mint a fizika. Dolgozatomban megmutatom, hogy az őáltaluk használt energia megfeleltethető egy már létező fizikai fogalomnak, és a probléma oka nem más, mit az, hogy az energia több egymáshoz nagyon hasonló jelentéssel bír, melyek könnyedén összekeverhetőek.

            Ha az energia kapcsán, ami az egész fizikát végig kíséri, ilyen és ehhez hasonló fogalmi zavarokkal találkozunk, akkor érthetővé válnak, az elszomorító statisztikák. A fejekben található energia fogalommal kapcsolatos zavarok legjobb bizonyítéka, az áltudományos örökmozgók és ún. energiagépek népszerűsége. A fizikaoktatásnak meg kellene tanítania a gyerekeknek, hogy egy ilyen gép elképzelhetetlen. Nem csak azért, mert eddig senki nem tudott ilyet építeni, hanem azért is, mert ez sértené a második főtételt, aminek beláthatatlan következményei lehetnek, pl: második főtétel nélkül valószínűleg nem lenne élet és Föld sem.

Dolgozatomban arra teszek kísérletet, hogy az energia tanítása során felmerülő hibák egy részét feltárjam, és bemutassam ezek történeti eredetét. Munkám első fele arra a kérdésre válaszol, hogy miként alakult ki az energia, és ehhez a fogalomhoz, hogyan kapcsolódhatott egy téves energia kép is. Második része azt vizsgálja, hogy ezek a hibás értelmezések, miként élnek a mai fizikaoktatásban. Végül a hibák orvoslásának egy lehetséges módját mutatom be, egészen vázlatosan.   

    

Az energia rövid történeti áttekintése:

 

Az energia kifejezés kialakulása:

            Az energia szavunk, mint annyi más kifejezés, Arisztotelésztől származik. Arisztotelész a közhiedelemmel elemtétben nem a Physika című művében használja, hanem Retorika III. című művében, a lendületes, meggyőzőképes beszédre, innen ered a ma is élő energikus beszéd kifejezésünk. A XIX. század elejéig a szónak semmi köze nem volt a fizikához. Pusztán a retorikában használták, ilyen formán a fizikai energia fogalmunk meglepő módon az energikus beszédből származik, és nem fordítva.[8] A mechanikát tanulva azt gondoljuk, hogy a mechanikai energiát és munkát már Newtonon vagy közvetlen követői is ismerték. Meglepő módon ez nem igaz! Az energia először 1807-ben Thomas Youngnál jelenik meg, mint fizikai mennyiség. Ő azonban még nem a mai értelemben használta inkább a vis viva fogalmát próbálta felváltani vele. Kinetikus energiát értett alatta, de még nem használta  képletet. A munkát és energiát mai tudományos jelentésében először Coriolis vezette be 1829-ben. Ugyanebben az évben Ponselet is publikált egy cikket melyben megjelent az energia, mint fizikai mennyiség. Mint ilyenkor lenni szokott, elkezdtek vitatkozni az elsőbbségen. Végül Ponselet Coriolis egy 1819 tanulmánya miatt, melyben szerepelt a munka, mint fizikai mennyiség, elismerte Coriolis elsőbbségét. A termodinamika egyik legnagyobb alakja Helmholtz nem használja az energia kifejezést, helyette erőről beszél. Az energia kifejezés Renkine által kerül a termodinamikába. Nála jelenik meg először 1853-1855-ben az a gondolat, hogy minden fizikai folyamat alapja az energia. Ezután merül fel az a gondolat, hogy a helmholtzi erő tulajdonképpen az energiának felel meg.[9]

            Hétköznapi szóhasználatunkban mást értünk energia alatt, mint a fizikában. A köznyelvben általában valamiféle változtatási képességet, kézséget értünk energia alatt, nem pedig, a fizikai megmaradó energiát. Gondoljunk csak a következő kifejezésekre: a mobiltelefon energiája lemerül, lázasan nincs energiám semmire (holott magasabb testhőmérséklet több energiát eredményez), vagy ehhez teljesen hasonló; jóllakottan nincsen energiám semmire; más jellegű kifejezések is hasonlóak, mint az energiaválság, vagy a szexuálisenergia. A hétköznapi nyelv nem egy megmaradó mennyiséget ért energia alatt, hanem sokkal inkább egy éltető, mozgató változtatásra képes mennyiséget, mely nem marad meg. A fizikai mennyiségek közül sokkal inkább az erőnek feleltethető meg és nem az energiának. Kijelenthetjük, hogy legalább két energiafogalmunk van: egy fizikai megmaradó és egy hétköznapi, mely nem marad meg. Ha az energia fogalmát a fizika Arisztotelész retorikai energiája nyomán alkotta meg, és nem a köznapi fogalomból vette, akkor honnan származhat a hétköznapi energia kifejezés? Máshonnan nem eredhet, csak a fizikától. A fizikától eltérő köznapi energiafogalom elterjesztéséért az Wilhelm Ostwald által megalkotott enrgetizmus a felelős.[10] Dolgozatom a hétköznapi és a tudományos energia különbsége köré épül fel, ezért a következőkben részletesen bemutatom az energetizmus rendszerét, melyben jól megfigyelhető a két energia fogalom.

         

Energetizmus:

 

Az enrgetizmus filozófiai és tudománytörténeti háttere:

            Ostwald energetizmusának világnézeti hátterében két elmélet figyelhető meg: egyfelől a XIX. század végére kialakult egy kép, mely szerint a fizika a világ jelenségeit törvényekkel képes magyarázni, másfelől a pozitivizmus ismeretelmélete.

A XIX. század második felére a fizika az ismert jelenségek nagy részét értelmezte. A newtoni mechanika a bolygók mozgását ugyanúgy leírta, mint az emberi léptékhez mérhető testekét. Matematikai háttere és precíz leírása is megszületett. A Maxwel egyenletek megmagyarázták a teljes elektromos és mágneses jelenségvilágot. Mayer és Helmholz révén a termodinamika is megszületett. A newtoni mechanikán alapuló statisztikus elméletek értelmezték a hőmérsékletet, nyomást stb. és további eredményekkel kecsegtettek. Kevés kivételtől eltekintve úgy látszott a fizika képes a természetet leírni, és ezek a kivételek is idővel magyarázhatóak lesznek az ismert törvényekkel.

            A kémia eredményesen járt el az anyagi folyamatok leírásában. Termodinamika eredményeinek felhasználása sikert hozott eddig nehezen magyarázható kémiai folyamatokban. Ostwald a katalizátorok magyarázatához az energia folyamatok tanulmányozása révén jutott el.[11] Bizonyossá vált, hogy a kémia hátterében a fizika törvényei állnak.  A tudomány rádöbbent, hogy nincsen vis vitalis, az élet mögött kémiai folyamatok állnak. Darwin evolúciós elmélete magyarázatot ad a fajok kialakulására.

            A század végére úgy tűnt a természet egésze leírható, és végső soron fizikai törvényekre vezethető vissza, a biológia kémiára, a kémia fizikára. Az egész világ fizikai törvényeknek engedelmeskedik, nem kell semmiféle metafizikai magyarázat. A tudomány látszólag mindent képes megmagyarázni. A kor materializmusa erre alapozva alkotja meg világszemléletét, de nem csak a materializmus, hanem az energetizmus is.

            Az energetizmus másik forrása Comte pozitivista bölcselete. A pozitivizmus ismereteit a tapasztalatból meríti, de semmi esetre sem tekinthető empirizmusnak. Elméleteket kell készíteni, majd ezeknek a tapasztalatra vissza kell vezetni. Minden olyan elmélet, mely ezt nem teszi meg nem tekinthető tudományosnak. Fontos az ember képzeletalkotó tevékenysége, de ennek a tapasztalatban kell gyökereznie. Ostwald egy ilyen rendszert próbál az energetizmussal létrehozni. Az energia az a fogalom mely tapasztalatban gyökerezik és ebből egy elmélet építhető fel.

            Összegezve azt mondhatjuk, a természet magyarázható a fizika törvényeivel. Továbbá olyan elméleteket kell építeni, melyek visszavezethetőek a tapasztalatra. Az energetizmusnak adott a feladat: olyan tapasztalati elméletet kell kiépíteni, mely a fizikához hasonlóan leírja az egész világot, valamennyi jelenséget, ez maga lesz az energetizmus. Mielőtt azonban megmutatnám, miként teszi ezt meg az energetizmus, röviden vázolom az energetizmus atyának Ostwald Wilhelmnek az életét.                           

 

Ostwald Friedrich Wilhelm élete[12]:

Ostwald Friedrich Wilhelm Rigában 1853 szep. 2.-án látta meg a napvilágot, édesapja kádár volt. Középiskolában nehezen tanult, öt osztályt csak hét év alatt végezte el. Gyenge teljesítménye nem tehetségének, inkább csapongó természetének köszönhető. Középiskola után a Dorpati egyetemre kerül, de bohém élete miatt három szemeszter után is csak két vizsgát szerez meg. Egy fogadás miatt rekordidő alatt leteszi harmadik vizsgáját, és ezt követően rendesen halad tanulmányaival. Egyetemi évei alatt csapong, szinte minden érdekli, tehetséges, de nem fektet kellő energiát a tanulásba. Végül 1878-ban a Dorpati Egyetemen (ma Tartui Állami Egyetem Észtország) doktorál.  1879-ben eljegyez egy lányt, és később feleségül is veszi. 1881-ben a Rigai politechnikum kémia tanára, tehetséges előadó, diákjai kedvelik, tanársága alatt megduplázódott a kémiát tanulók száma. Rigában harminc tanulmányt ad ki. 1883: Elsőként ismeri fel Arrhenius disszociációs elméletének jelentőségét, és tovább is fejleszti. Itt írja Az általános kémia című tankönyvet (1885-1887), mely első világhírű munkája. Ez idő alatt felfedezi, hogy a katalizátorok a reakciósebességet befolyásolják. 1887-ben meghívják a lipcsei egyetemre, itt ismét megmutatja kiváló oktatói tehetséget, több későbbi professzor az ő laboratóriumából kerül ki.  1890-ben levezeti a róla elnevezett hígítási törvényt, amely a gyenge elektrolitok vezetőképességének változását írja le a koncentráció függvényében. 1894-ben kimondja: a katalizátorok a rendszer energiatartalmát, illetve a kémiai egyensúly helyét nem befolyásolják. Később tevőlegesen is részt vett a katalizátorok tényleges kifejlesztésében, például az ammónia gyártásában. Ez évben megalapítja a Német Elektrokémiai Társaságot, a későbbi Bunsen Társaságot, 1887-ben alapítója a Fizikai-kémia Folyóiratnak. 1897-től az Magyar Tudományos Akadémia tagja. 1901-ben megjelenik Természetfilozófiai Előadások című műve. 1904-05 között a Harvard Egyetem első vendégprofesszora. 1906-ban otthagyja a lipcsei katedrát, ezzel tudományos pályafutása lezárul. Filozófiával kezd el foglalkozni. 1909-ben Kémiai Nobel-díjat kap a katalízis, a kémiai egyensúlyok és a reakciósebesség alapvető vizsgálataiért. 1906 után bölcselettel foglalkozik, megalkotja az energetizmus filozófiai rendszerét, erre támaszkodva egy monista egyházat alapít. Nagy tiszteletű tudós akinek filozófiáját is egyre többen követik, végül 1932 ápr. 4.-én Grasshatben (Lipcse mellett) meghal.

Az energetizmus bölcseleti rendszere:

Ostwald tudománykoncepciója:

Ostwald ismeretelmélete a pozitivizmus szellemének megfelelő, a tapasztalatból indul ki, és ezekre támaszkodva, elméleteket alkot. Az első lépés a fogalomalkotás. Az egyes jelenségek ismétlődéséből az emlékezet a közös részek felismerésével, alkotja meg a fogalmakat. Ha a fogalmakhoz kapcsolódó jövőbeli eseményeket, meg tudjuk jósolni, akkor már tudományt űzünk. A tudomány mindig a jövőbelire irányul nem a múltbélire, ezért Ostwald a történelmet nem tekinti tudománynak[13]. A tudománynak bizonyos mértékben előre kell látniuk a jövőt.[14] A tudomány egyedüli célja az emberiség boldogulásának elősegítése, az emberiség életének egyszerűbbé tétele, ezért az elméleti kutatásoknak a lehető leghamarabb gyakorlati kutatásba kell átalakulnia. A boldogság egyedül a tudomány fejlődésével érhető el.[15] A jövőt feltáró tudományokban nélkülözhetetlen az okság. Az egyes okok ismeretéből következtethetünk a jövőbeli eseményekre. Felvetődik azonban a kérdés, mi az okság? Az ok és okozat szükségszerű viszonya a dolgokban van meg, vagy mi emberek tesszük a dolgokhoz? Ostwald álláspontjában ok és okozat nem feltétlenül található meg a természetben, hanem a mi szubjektív megfigyelésünk viszi bele a dolgokba. A természet nem rendelkezik szükségképpen vele, de mi emberek csak úgy láthatjuk a világot, hogy benne felfedezzük az ok és okozat rendszerét, másképpen képtelenek vagyunk szemlélni bármit is. Pusztán elvben elképzelhető, hogy egy más (nem emberi) értelmes lény ok és okozat nélkül szemlélje a világot. Az okság Ostwald számára két esemény szükségszerű összetartozása: ha A esemény bekövetkezik, akkor B esemény is bekövetkezik, A szükségszerűen maga után vonja B-t.[16] Az okság fogalmának tisztázása után a tudományhoz vezető út következő lépése az indukció. Arisztotelész nyomán az indukció két fajtáját különbözteti meg, teljes és nem teljest. Előbbinél azt mondhatjuk, hogy az adott fajta mindegyike így viselkedik, akkor a fajta egyes elemei is így viselkednek. Míg utóbbinál az tudjuk, hogy az adott fajta sok eleme így viselkedik akkor az egyes elemek is valószínű így viselkednek. Előbbi biztos tudást szolgáltat, de mivel az adott fajta összes elemét már ismerjük nem is hordoz új információt, míg utóbbinál csak valószínűségről beszélhetünk, de ezen valószínűségből levont következtetés bővíti ismereteinket. Ostwald az indukciót tartja a tudomány egyedüli helyes megalapozásának! A dedukció nem hoz új ismereteket a tudományba, csupán elmélyíti azokat.[17] A végső lépés a tudománnyá válás útján, hogy a fogalmak ok okozati rendszerében végső törvényszerűségeket fedezzünk fel.

Összegezve azt mondatjuk Ostwald szerint a tudomány fogalomalkotással kezdődik, mely az emlékezet szintetizáló tevékenysége révén jön létre. Az indukció segítségével a fogalmak ok okozati viszonyát feltárjuk, és ezekben törvényszerűségeket fedezünk fel, mely törvényekkel a jövőt bizonyos tekintetben képesek vagyunk előre látni.

Miután körbejártuk azt, hogy miként vállnak ismereteink tudománnyá, vizsgáljuk meg a tudományok felosztását. A felosztás alapkoncepciója az egyes területek absztrakciója, a legáltalánosabbtól kell haladni a kézzelfogható felé. Ez alapján Ostwald a felosztása a következő:

1.      Alaki tudományok

·        Logika vagy változatosságtan

·        Matematika vagy nagyságtan

·        Geometria vagy tértan

·        Phoronomia vagy mozgástan

2.      Fizikai tudományok:

·        Mechanika

·        Fizika

·        Kémia

3.      Biológiai tudományok:

·        Élettan (fiziológia)

·        Lélektan (pszichológia)

·        Társadalomtudományok (szociológia)

 

A hármas felosztás kapcsán meg kell jegyeznem, hogy Ostwald mindegyek tudományt empirikusnak tekinti, az alaki tudományokat is.[18] Dolgozatom a három említett tudományt részletesen be is mutatom.

Alaki tudományok:

            Ostwald ebben a részben tett megjegyzései, sem dolgozatom, sem az energetizmus szempontjából nem relevánsak. A logika, matematika terén tett kijelentései inkább a pozitivizmus szempontjából jelentősek, ezért ezeket csak röviden érintem.

            Az előző részben bemutattam, hogy Ostwald szerint minden fogalom a tapasztalatból származik, nincsen másként ez a legáltalánosabb fogalmakkal sem, ezek is a tapasztalatból származnak. A fogalmak közötti viszony szintén a tapasztalat útján alakul ki. Bizonyos dolgokat egymás után látunk ismétlődni, vagy együtt megjelenni és ezekből absztrakció révén csoportokat, rendeket alkotunk. A tagadás egy adott csoportba való tartozásra, vagy nem oda tarozásra vezethető vissza. [19] Ostwald a matematikai halmazelmélethez hasonlóan a csoportokból és azok elemeiből vezeti be a számokat. A csoport tagjainak rendezése révén pedig az algebra és számelmélet műveleteit.[20] Nem is kívánom tovább részletezni, pusztán csak annyit jegyzek meg, hogy a nyelvet, annak szabályait is hasonlóan vezeti be.

            Dolgozatom szempontjából mindössze az idő és tér felfogását emelném ki ami a későbbi fizikáról szóló fejezet kapcsán fontos. Ostwald az időt és teret az első természettörvénynek gondolja, kihangsúlyozza, hogy ezen törvénynek szubjektív emberi „alkatrészei” is vannak. Az idő egyszerű és érthető ezért nem foglakozik vele külön tudomány, pusztán a mozgástanban kerül elő. A térrel viszont külön tudomány foglakozik a geometria. A geometria is empirikus tudomány pl: a tér háromdimenziós mivoltát az szabja meg, hogy egy merev test a tér három irányába tud mozgást végezni. A kettőt egyesítő tudomány a már említett mozgástan.[21]

Fizika:  

            Dolgozatom szempontjából Ostwald fizikáról szóló gondolatai a legfontosabbak. Az energia több jelentésű szó. A termodinamika fogalmainak kialakulása után, a fizikai energia már csak egy dolognak felelt meg, mégis sok helyen a mai napig a régi fogalom él, sőt összekeveredett a fizikai energia fogalommal. Ostwaldnál is egy ilyen összekeveredést figyelhetünk meg, illetve egyéb hibákat melyek az energia fogalmához kapcsolódnak, és sajnos gyakran az oktatásban is megjelennek. Mindezek feltárására nézzük meg, miként vezeti be Ostwald az energiát.

Ostwald egész fizikáját az energiára építi fel, számára minden fizikai[22] jelenség az energia egy megjelenési formája. Az energiát a mechanikán keresztül vezeti be. (A mechanikai bevezetés érthető, hiszen Ostwald korában a klasszikus mechanika letisztázott, egyetemesnek látszó törvény volt. Segítségével nem pusztán a makroszkopikus testek mozgása (bolygóké, földi testeké, bonyolult gépeké) vált leírhatóvá, hanem a statisztikusfizika új eredményeinek köszönhetően az olyan eddig megfoghatatlan jelenségeket is megmagyarázta, mint a hőmérséklet vagy a nyomás.[23]) Első lépésben bevezeti a munkát, ami nem más, mint az erő és az út szorzata.[24] Következő lépésben bevezeti a mechanikai gépek fogalmát, melyekbe munkát fektetünk, majd valamilyen más módon munkát is nyerünk ezekből a gépekből. „Mármost évszázadok tapasztalata azt mutatta, hogy az ilyen mechanikai gépekből semmi módon sem lehet több munkát kivenni, mint amennyit beléjük tettünk. Sőt mindig kevesebb munkát kapunk vissza, mint amennyit belefektettünk s a gép fokozódó tökéletesedésével, ez a mennyiség legfeljebb az egyenlőség felé közeledik.”[25] Ostwald egy hipotézissel él. Ideális gépről beszél melybe ugyanannyi munkát teszünk, mint amennyit kiveszünk belőle. Ezekre az ideális gépekre igaz a munka megmaradásának törvénye. Ezekben az ideális gépekben a munka változóviszonyok között is megmarad, minőségi változást szenved, átalakul, de mennyisége nem változik. Ostwald szubsztancia alatt azt érti, ami változó viszonyok között mennyiségileg állandó marad. Mindezekből könnyű belátni, hogy a munka ebben a hipotetikus esetben szubsztancia.[26]

            Képként képzeljünk el egy ingát, ezen a példán keresztül jutunk el a mechanikai energia megmaradásának törvényéhez, majd ezt általánosítjuk a mechanikán kívüli területekre is. Az inga helyzeti energiája (munkavégző képessége) alsó pontján teljesen eltűnik, mozgási energiává alakul át, majd ez az energia ismét teljesen visszaalakul helyzeti energiává. A mozgásra érvényes:

összefüggés, vagyis a rendszer összes energiája változatlan. Az energiák összegének állandóságát nem pusztán az ingára írhatjuk fel, hanem minden más jelenségre is. A hő ugyanúgy mechanikai energiává alakítható, mint a helyzeti energia, ezt Mayer 1842-ben megmutatta.[27] Az elektromágneses energia szintén átalakítható egyéb energiafajtákká, például az elektromos gépek mechanikai munkát végeznek.[28] A kémiai energia sem lóg ki a sorból, ez szintén könnyen egyik energiaformából a másikba alakítható. Utóbbinak jelentősége abban rejlik, hogy a biológiai lények ezen energia feldolgozásával működnek.[29] Az összes energiafajtára igaz, hogy összegük a fizikai folyamatok során állandó

.

 Kijelenthetjük, hogy az energia összértéke a folyamatok során állandó, ez az energia megmaradás törvénye. Az energia megmaradás törvényét univerzális egyetemes törvénynek tekinti Ostwald, mely nem pusztán a fizikára, hanem a kémiára, biológiára, lélektanra és a társadalomra is kiterjed.[30] A munkához hasonlóan az energiáról is belátható, hogy szubsztancia. Hiszen változó viszonyok között különböző formáiba alakul át, minőségileg megváltozik, de a mennyisége állandó marad.

            Az első főtétel megszabja, hogy az energia összértéke a folyamat során nem változhat, de semmit sem mond arról, hogy az energia miként alakul át egyik formájából a másikba, erre a második főtétel adja meg a választ. A törvénynek sok ekvivalens definíciója van, most csak az Ostwald által is említettet emelném ki: „a természetben  nincsen eszköz, melynek segítségével egyéb változások nélkül a hőt arra bírhatnánk, hogy magasabb hőmérsékletre emelkedjék” [31]. A második főtétel irányt szab a folyamatoknak, nyugalmi energia spontán nem alakul át más energiává. Minden energiafajtának van valamiféle intenzitása (hőnek a hőmérséklet, munkának az erő, térfogati energiának a nyomás), ha az intenzitás megegyezik a környezettel az energia nyugalomban van, ha nem egyezik meg, akkor beszélhetünk szabad energiáról.[32]    

A munkát csak egy speciális esetben tekinthettük szubsztanciának, de az energia minden körülmények között szubsztanciának mutatkozik. Ostwald felfogásában látható, hogy a szubsztanciának csak valamilyen megmaradó mennyiség tekinthető. Az emberben önkéntelenül felmerül a kérdés, mi a helyzet az anyaggal, az anyag vajon nem szubsztancia? Ezért a következő részben Ostwald tömeggel kapcsolatos gondolatait igyekszem vázolni. Mielőtt ezt megtenném, összegezzük, hogy mit is gondol Ostwald a fizikáról.

 

Mit ?????????

 

Az anyag:

            Ostwald anyaggal kapcsolatos nézetei fokozatosan változtak. A kérdés azért is érdekes, mert az energetizmust gyakran úgy jellemzik, hogy tagadta az atomelméletet.[33] A megállapítás helyes, de érdemes megvizsgálni, miért tagadták Ostwald és követői az atomok létét, illetve mit gondoltak magáról az anyagról. A probléma vizsgálatánál ne feledkezzünk el arról, hogy Ostwald a századforduló egyik legnagyobb kémikusa, aki 1909-ben Nobel-díjat kapott, ezért valószínűsíthetjük, hogy nem alaptalanul, minden ok nélkül tette ezt.

Ostwald ifjú korában 1878-ban az atomelmélet mellett áll ki, mikor az vallja, hogy a molekulákban az atomok térbeli elrendezése található meg.[34] 1887-ben két létezőt különböztet meg anyagot és energiát.[35] Általam leggyakrabban idézett Bevezetés a természetfilozófián című munkájában is ezt vallja. Az energia mellett a másik létező az anyag. Az anyag súly és tömeg térbeli együttese, melyre érvényes az anyagmegmaradás törvénye. A fentiekben megmutattam, hogy amire megmaradási törvény vonatkozik az szubsztanciának tekinthető, következésképpen az anyag is szubsztancia a tömeg mellett.[36] Bevezetés a kémiába ( Az analytikai chemia tudományos alapjai) című könyvében, mely korának egyik legjobb a fizikai kémia tankönyve, elismeri az atomok létét: „Az atomelmélet e szerint a kémiai vegyületek súlyviszonyait teljesen tisztázza és valószínűvé teszi, hogy az anyagok valóban ilyen szerkezetűek, amit egyébként másféle felfedezések is igazoltak. Indokolt tehát, hogy az elmélethez a további fejezetekben is ragaszkodjunk.”[37] Pár sorral arrébb azonban azt állítja, hogy a dolgok sajátosságai nem pusztán az atomoktól függenek. Az atomelmélet nem elegendő a dolgok leírására.[38]   Nem tudni pontosan, hogy  Ostwald fokozatosan miért adta fel az anyag, mint önálló szubsztancia a gondolatát. Elképzelhető, hogy a modern fizika eredményei sarkalták erre, de lehetséges, hogy nézete fokozatosan radikalizálódott. 1895-ben az anyagot puszta gondolati hipotézisnek tartja, 1902-ben rendszerét már anyag nélkül építi fel.[39]  Bevezeti az alaki (a testek alakját csak energia befektetés útján változtathatjuk meg), térfogati (a testek térfogata szintén csak energia befektetéssel változtatható meg) és felületi energiát (a felület megváltoztatása csak energia befektetéssel tehető meg). Ez a három energiafajta határozza meg az anyagot.[40]  Tulajdonképpen nincsen anyag, amit mi annak érzékelünk az nem más, mint a felsorolt energiák térbeli koncentrációja. Az energetizmus ismeretelmélete szintén erre sarkal bennünket. A tárgyakról csak energia révén szerezhetünk tudomást, érzékszerveinken keresztül energiákat érzékelünk, magát az anyagot nem tudjuk közvetlenül tapasztalni. A pozitivizmus szerint – melyre az energetizmus támaszkodik – csak azoknak a dolgoknak a létét fogadhatjuk el, melyeket közvetlenül tapasztalunk. Mivel az anyagot nem, csak az energiáit érzékeljük közvetlenül, ezét semmi okunk sincsen önálló szubsztanciának tekinteni. Gondoljunk csak bele, ha az energiafajtákat sorra elválasztjuk az anyagról, végül semmi sem marad hátra, tehát nincsen anyag, csak térbeli energia koncentráció.[41] Ha az anyag létét önmagában tagadjuk nyilvánvaló, hogy az atomelméletet sem fogadhatjuk el. Az energetizmus atomtagadását azonban olyannyira kihangsúlyozzák, hogy nem valószínű, hogy pusztán ilyen egyszerű oka lenne. Biztosan nem tudom kijelenteni, de valószínűsíthetem, hogy az atomelmélet ellenzése mögött két ok húzódhat meg. Az első, a materializmus cáfolata. A kor materialista gondolkodói az atomelméletben látták a dolgok végső magyarázatát. A statisztikusfizika magyarázattal szolgált a hőmérséklet, nyomás stb. értelmezésében és további eredményekkel kecsegtetett. Ostwald ezzel szemben a dolgok végső magyarázatát nem az atomokban, hanem az energiában látja. A tudománytörténet furcsa játéka, hogy Ostwaldot atomellenessége miatt könnyen megmosolyogjuk, de valójában igaza volt, hiszen az atomok is részekből álnak, és ezek még parányibb elemekből, a modern térelmélet szerint ezek a parányi részek azonban energiák. Ebben az értelemben Ostwaldnak lett igaza, hiszen az atomelmélet nem szolgáltat végső magyarázattal a dolgok felől. Másfelől az atomelmélet nem fér bele a pozitivizmus ismeretelméletébe, mely szerint mindig a tapasztalatból kell kiindulnunk, hogy elméleteket gyártsunk. Az atomelmélet azonban nem a tapasztalatból indul ki, egy feltevés mellyel jelenségek megmagyarázhatóak, de maga az atom a kiindulópont közvetlenül nem tapasztalható, de az energia igen.

Ez nekem nem világos. Hogyan tudom az energiát tapasztalni?

Nem valamilyen anyagi jellemző megváltozásából számolom? Pl. hőmérsékletváltozás?

 

 

Az energia ezért alkalmas arra, hogy elméletet építsünk rá, míg az atomelmélet nem. Ez utóbbit látszik igazolni az is, hogy az energetizmus képviselői atomellenességüket sorba feladták a szcintilációs kísérletek láttán.[42] Ezekben a kísérletekben az atom közvetlenül tapasztalható felvillanó fény formájában.

Dolgozatom gondolatmenete szempontjából pusztán annyi az érdekes, hogy az energetizmus az anyagot is energiának tekintette, mindent az energiával igyekezett megmagyarázni.

Biológia:

               Ostwald az egész fizikát az energiával igyekszik magyarázni. El kell ismerni, annyiban igaza van, hogy a termodinamika törvényei egyaránt érvényesek a klasszikus és modern fizikában. A fizikának nincsen olyan kis, rejtet zuga, melyben ezek a törvények nem lennének érvényesek. Az energia megmaradást az idő homogenitásával szokták kapcsolatba hozni, mivel a fizikai folyamatok időben mennek végbe, ezért érvényes rájuk az energia megmaradás törvénye. Ostwald túllépi a fizika területét, mikor az energián keresztül igyekszik a biológiát tárgyalni. Nem a biológiában lezajló fizikai folyamatokat, hanem magát a biológiát, például az evolúciót. A termodinamika első és második főtételét a fizikán túli területekre, nem fizikai tudományokra is kiterjeszti, vagyis az összes jelenségre érvényes általános törvénynek tekinti.

            A biológia első és legfontosabb kérdése, mi különbözteti meg az élőt az élettelentől? Ostwald három kritériumot hoz fel az élőlényekre, melyek mindegyikének teljesülnie kell ahhoz, hogy valamit élőnek nevezhessünk. A három ismérv: stacioner képződmény, a létfenntartáshoz szükséges energiát saját maga szerzi be, végül önmaga reprodukálására képes, vagyis szaporodnak. Röviden nézzük meg, hogy mit is jelentenek ezek a fogalmak:

  1. Az élőlények stacioner képződmények. Stacionérnek nevezünk minden olyan képződményt mely külsőleg stabil, de belső részei folyamatos változásban vannak. A külső állandóság úgy marad fen, hogy a rendszerben a felszín alatt folyamatos energia csere zajlik. Ha az energia pótlása megszűnik, a rendszer összeomlik.[43] Ez a tulajdonság valóban igaz az élőlényekre, táplálék, víz, napfény nélkül elpusztulnak. Az is igaz rájuk, hogy kívülről fix, statikus rendszernek tűnnek, ugyanakkor belül bonyolult biokémiai folyamatok zajlanak. Ez azonban még nem elegendő az élethez. Egy vízesés is stacioner képződménynek számít. Kívülről stabilnak látszik a víz áramlása, de a belső részek folyamatos változásban vannak, melyet egy külső állandó energiaforrás tart fent.[44] Ezért vezeti be Ostwald a következő két tulajdonságot.
  2. A vízesésszerű stacioner képződményektől elsőként az különbözteti meg az élőlényeket, hogy a létfenntartásukhoz szükséges szabad energiát (táplálékot) maguk szerzik be.[45] A növények maguk állítják elő táplálékukat a napfény segítségével, míg az álatok maguk „szerzik be” a növényeket.
  3. Az élőlények harmadik tulajdonsága, hogy képesek önmagukat reprodukálni, vagyis szaporodnak, önmagukhoz hasonló egyedeket hoznak létre. Az élőlények szaporodásának van még egy fontos tulajdonsága. A reprodukció nem pusztán külső körülményektől függ, hanem az élőlény ezektől a körülményektől függetlenül is törekszik a szaporodásra.[46]

            Élőlénynek csak akkor nevezünk valamit, ha mindegyik tulajdonság megilleti. Például a láng stacioner képződmény, és még önmagát is igyekszik reprodukálni (a tűz gyorsan tovább terjed), mégsem élőlény, hiszen nem maga szerzi be a fennmaradásához szükséges szabad energiát.[47]

Szövegdoboz:  A könnyebb megértés kedvéért szeretném felhívni a figyelmet arra, hogy Ostwald szabad energia alatt nem a fizikában használt szabadenergiát érti, ez abból is látszik, hogy előbbit külön, míg utóbbit egybe írjuk. Dolgozatomban mikor külön írom az ostwaldi fogalmat értem alatta, amikor egybe a fizikait.
I. Ostwald szabad energiája, a rendszerből kinyerhető maximális energiát jelenti, azt a mennyiséget, mely ideális esetben munkavégzésre fordítható. Későbbiekben bemutatom, hogy ez a fogalom a fizikában kevéssé ismert exergia.
II. A fizikában használt szabadenergia
 
változása izotermikus esetben, megadja, hogy reverzibilis folyamatoknál mekkora az a munka melyet a rendszer végezhet vagy végezhető rajta.

            Az élőlényeknek szabad energiát kell kapniuk, hogy mint stacioner képződmények fent maradhassanak. A Földön lévő szabad energiát az élőlények – a második főtétel miatt – idővel elhasználnák. A Föld azonban nem zárt rendszer. A Napból sugárzás formájában szabad energia érkezik a Földre, ennek az energiának egy részét hasznosítják a növények, és kémiai energiává alakítják át.[48] Az állatok, gombák ebből a vegyi energiából fedezik saját szabad energia szükségletüket. Az anyagban tárolt kémiai energia csak olyan drasztikus körülmények között hasznosítható (pl.: magas hőmérsékletű égés), mely elpusztítaná az élőlényeket. A megoldást a katalizátorok adják, melyek pusztán jelenlétükkel, lehetővé teszik, hogy a kémiai átalakulások alacsonyabb aktivációs energiaszinten végbemehessenek.[49] Az élőlények anyagcseréjének, valamint energia háztartásának elengedhetetlen kellékei a katalizátorok.[50]

            Az eddig leírtak az energia fogalmával megmagyarázzák az élőlények vegetatív viselkedését, de nem adnak választ a fajok sokaságára és alkalmazkodó képességére. A problémát Ostwald úgy oldja meg, hogy a Darwin természetes szelekcióról szóló elméletét összeköti a szabad energia felhasználással. Az élőlények a Föld korlátozott szabad energia háztartása miatt versenyeznek a rendelkezésre álló energiáért. Azok az élőlények az életképesebbek, melyek hatékonyabban tudják hasznosítani a rendelkezésre álló szabad energiát, vagyis táplálékot. Az evolúció értelmében az életképesebb egyedek nagyobb valószínűséggel örökítik tovább hatékony energia felhasználó tulajdonságukat. Az evolúció a szabad energia hatékonyabb felhasználásáról szól, a fajok ennek a célnak megfelelően fejlődnek vagy pusztulnak ki. Ez valójában energia felhasználás szerinti evolúció.[51] A gondolat gyökere a második főtétel mely szerint a rendelkezésre álló szabad energia csökken.

Lélek:

            A természettudományokat Ostwald az energia segítségével le tudja írni, de mi a helyzet a tudomány által nehezen megfogható emberi lélekkel? Az eddigiek alapján nem meglepő, hogy Ostwald ezt is az energiával magyarázza. Számára minden jelenség, minden létező az energia valamilyen formája, így a lélek sem kivétel.

            A lélek vagy értelem eredetét Ostwald az evolúció segítségével adja meg. Az élőlények külső ingerek hatására válaszreakciókat adnak. Túlélési képességük nagyban függ ezektől a reakcióktól, tehát a hatékonyabb válasz irányába halad majd az evolúció. A külső ingereket mindig az érzékszervek által tapasztaljuk. Az érzékelés mindig valamiféle energiaközlés, az érzékszerveken energia érkezik.[52] Ez az energia más energiaformává alakul át, ennek pontos működése ma még nem ismert, de valószínűsíthető, hogy elektromos energiává. Ez az energia az agyba érkezik, itt egy eddig pszichikai energiává alakul át. Ez ugyanolyan energiafajta, mint a mozgási vagy kémiai, csak nem nagyon ismerjük. Válaszreakcióként ez ismét más energiává alakul át. A beérkező ingert azonban feldolgozza, átalakítja és így alkotja meg a választ. Ez utóbbi az, amit tudatos gondolkodásnak nevezünk. [53] Az agyban lévő pszichikai energia felelős minden tudatos cselekedetért, a pszichikai energia egy megnyilvánulása az emberi lélek hasonlóan ahhoz, mint az alaki, térfogati energia megnyilvánulása az anyag. [54] Az emberi lelket hagyományosan vagy az anyagi világhoz rendelik, és ezzel gyakorlatilag megszüntetik (tagadnak minden szellemi létezőt, csak az anyagot ismerik el) vagy a lelket az anyagtól független létezőnek gondolják el, mely egy külön, szellemi világ része. Ostwald ezzel szemben egyesíti a két világot, mikor mind a lelket, mind az anyagot egy közös okban az energiában egyesíti.

Társadalom:

            Ostwald miután az emberi testet és lelket az energia alatt egyesítette, nem meglepő, hogy a társadalmi struktúrákat is az energia segítségével magyarázza meg. A gondolatmenet egyszerű, tulajdonképpen a biológiai evolúció csoportokra való kiterjesztése. A csoportok hatékonyabban tudják a rendelkezésre álló szabad energiát hasznosítani, ha együttműködnek, illetve tudásukat átadják a következő generációnak is.   Az emberek idővel akkora tudásra tettek szert, hogy azt genetikai öröklés révén képtelenség átadni. A társadalom egyesíti az egyes egyedek tudását, megőrzi, és átadja az utódoknak. Az emberi kultúra fejlődése abban áll, hogy e tudás birtokában mindig hatékonyabb és hatékonyabb energia felhasználó eszközöket alkot. A társadalom hatékony energia felhasználási szerepe jóval több ennél. A legegyszerűbb társadalmakban is megfigyelhetünk valamiféle munkamegosztást. Az egységes feladatokat részekre bontják, és a részfeladatokat külön erre képzett emberek látják el. A bonyolult munkafolyamatok leghatékonyabb módja a munkamegosztás. Ezt a munkamegosztást szolgálják a társadalmi struktúrák, és a társadalom mozgató erői.[55]

Az energetizmus, mint egységes bölcseleti rendszer:

            Az energetizmusában az energia az egyedüli létező, változó folyamatokban végig állandó marad, ezért tekinthetjük szubsztanciának. „A világegyetem amennyiben ismerjük, az a tér, amelyből energia hatol hozzánk, vagyis az egész világ energia.”[56]  Világunk tulajdonképpen nem más, mint a tér időben mozgó energia. Az energiát Ostwald azért tekintheti az egyedüli létezőnek, szubsztanciának, mert érvényes rá egy megmaradási törvény (a termodinamika első főtétele), ezért maradhat állandó változó viszonyok között is. A világon mindenről megmondható, hogy milyen energiafajta. Világunk nem más, mint a téridőben mozgó energia, sőt még az idő sem választható el az energiától! Az időt csak az energia változás révén érzékelünk, maga az energiaváltozás az idő, irányát, az entrópia adja meg.[57] A tér és idő Ostwald számára nem önálló létező, hanem Kanthoz hasonlóan mindkettőt az érzékeléshez köti. Említettem, hogy az időt csak energiaváltozásokon keresztül érzékeljük, míg a teret csak a benne lévő különböző energiafajták révén.

            Az energetizmus ellenzői könnyen mondhatják, hogy az elmélet nem illik bele a pozitivizmusba, hiszen az energiát közvetlenül nem érzékelhetjük, tehát nem tételezhetjük fel a létét. Ez azonban tévedés, az energia fajtáit közvetlenül mérhetjük, és összegük megadja a magát az energiát.[58] Valamint az energiát akkor is közvetlenül tapasztaljuk, amikor érzékszerveinkkel a külvilágot közvetlenül felfogjuk, hiszen a minőségek mind-mind energiafajták.

            Az első főtétel a fizika valamennyi jelenségében teljesül, minden fizikai folyamatot jellemezhető vele, ezt Otwald helyesen látta meg. Ő azonban nem áll meg a fizikai jelenségeknél a biológiát, lélektant, társadalomtudományokat egyaránt az energiával írja le.

             Az energia változássásának azonban irányt szab a második főtétel. A spontán végbemenő folyamatok mindig az egyensúlyra vezetnek. Ez egyfelől stabilitást nyújt a világnak, másfelől a rendelkezésre álló szabad energia mértékét behatárolja. Ez a korlátozottság teremt olyan versenyhelyzeteket, melyek a fajok kialakulásához és a társadalom létrejöttéhez vezettek, de még a bonyolult emberi elme kialakulása is ennek a törvénynek köszönhető.

            Az energia, mint egyedüli létező, minden végső ok, nem egy fizikai elmélet a világra, hanem filozófiai rendszer. Az energetizmusban mivel minden energia, nincsen különbség élet és halál között. Az élőlény halálakor mindössze más energiaformává alakul át, nem semmisül meg, ugyanaz a létező marad.[59] Ez mindenféleképpen egy monista következménye az energetizmusnak. Ma monizmushoz azonban nem így jutunk el. Az energiában Ostwald egyesíti a testet és a lelket, minden egy létező egy szubsztancia alá von, ez pedig maga a monizmus. Az energetizmusból egy monista egyház is kinőtt, de mára már teljesen elszakadtak az alapítótól. A monizmus azonban már egy metafizikai rendszer, mely nem felel meg a pozitivizmus szigorú szabályainak.

            Összegezve az energetizmusról azt mondhatjuk, hogy a termodinamika első főtételéből kiindulva az egyedüli létezőnek az energiát teszi meg. A második főtétel az egyes energiafajták változásait szabja meg. Ebből a két törvényből kiindulva magyarázza, meg Ostwald az egész világot, minden jelenséget, miután úgy gondolja, sikerrel jár el, elméletéből metafizikai következtetéseket von le, így jut el a monizmusig.    

Energetizmus hatása:

            Az energetizmus, mit bölcseleti rendszer nem élte túl alapítóit, ennek több oka is volt. Belső ellentmondásokat tartalmazott (lásd: monizmus metafizikája és pozitivizmus), valamint új bölcseleti áramlatok érkeztek. Maga az energetizmus sem bölcseleti sem tudományos szempontból nem tekinthető jelentős szellemi áramlatnak, de dolgozatom szempontjából néhány későbbi hatása megkerülhetetlen.

            Az energetizmus a kor energiafogalmára jelentős hatást gyakorolt. Később részletesen tárgyalom, és korábban már említettem is, hogy a több energia fogalommal rendelkezünk és ezek közül néhányat az energetizmus egyesített, és az egyesített fogalmat el is terjesztette.

 Jelentős hatása, és pozitív hatása volt az energetizmusnak hogy az energia megmaradás törvényének elterjesztése, jelentőségét kihangsúlyozta.[60]

Az enrgetizmus, mint eszmerendszer eltűnt ugyan, de korunk fizikusainak filozofikus energiafogalma majdhogynem megegyezik az energetizmuséval, mely szerint a világ nem más, mint a téridőben mozgó energia. Ezt az elképzelést támasztják alá a térelmélet eredményei is.

            Végül az energetizmus magyarországi hatásairól. Hazánkban Ostwaldnak nem sok követője volt. Az energetizmusról szóló írások nagy része inkább kritizálja az energetizmust. Néhány követője között találjuk Heller Ágostot[61], Tangl Ferencet[62], kritikák, recenziók születtek Magyarországon is az energetizmussal kapcsolatban, pl: Jankovíts Miklós[63], Dr. Madarász István[64], Lőrintz Jenő[65], de lelkes követőjük az első két név kivételével nem akadt.

Az energetizmus hibái:

            Említettem, hogy az energetizmus nem élte túl alapítóit, mert több belső ellentmondással és hibával rendelkezett, valamint más bölcseleti irányzatok kiindulópontjait más nézőpontra helyezték. Az energetizmus filozófiai hibáival dolgozatomban nem szeretnék foglalkozni. A fizika szempontjából viszont feltárom Ostwald eszmerendszerének tévedéseit, melyeket energiafogalmában találunk meg.

            Ostwald első hibáját rögtön a fogalom bevezetésénél találjuk. A bevezetés a newtoni mechanikán keresztül történik, mint ezt fent megmutattam. Utaltam arra is, hogy Ostwald ezt a bevezetést valószínűleg azért választotta, mert korában a mechanika volt a fizika legsikeresebb ága. A mechanikai bevezetés, azonban egy hibás energiakép veszélyével fenyeget. Ostwald az ideális gépeknél bevezeti a munka megmaradásának törvényét, majd ezt az ingás példa segítségével általánosította. Az ingás példánál külön kezeli a mechanikai és a potenciális energiát, úgy mintha azok egymástól független energiafajták lennének. Önmagában ez még nem igaz, mert a newtoni mechanika keretein belül ezt megtehetjük, de Ostwald az ingás példát általánosítja. A newtoni mechanika kivételével azonban nem beszélhetünk egymástól független energiafajtákról. Ostwald a mechanikán kívüli területeken is külön energiafajtákról beszél, ez pedig hiba! Röviden nézzük meg, miért nem beszélhetünk egymástól független energiafajtákról.

A klasszikus mechanikában igaz, hogy a rendszer egyes energiafajtáit egymástól függetlenül összeadhatjuk, ezután a rendszer összes energiáját a következőképpen kapjuk:

az egyes energiafajtákat behelyettesítve:

A probléma akkor kezdődik, ha nem maradunk a klasszikus mechanika keretei között, hanem a relativisztikus, általánosabb esetet vizsgálunk. Tudjuk ugyanis, hogy a tömeg nem független a sebességtől, vagyis a potenciális és a helyzeti energia nem független egymástól! A relativisztikus tömeg

 

A négyzet lemaradt a képletből!!!!!!!!!!!!!

 

függ a sebességtől, ezért ha a fenti képletbe behelyettesítjük, láthatjuk, hogy az egyes tagok nem függetlenek egymástól:

.

 

A mozgási energiát relativisztikus esetben nem írhatjuk úgy, hogy m.v2/2, és tömeg helyébe a relativisztikus tömeg kerül!!!!!!!

 

A mozgási energia relativisztikus kifejezése:

ha a sebesség kicsi, 0,01.c alatt van, akkor használhatjuk a régen megszokott összefüggésünket a mozgási energiára (sorfejtés).

 

 

Nem beszélhetünk független enegiafajtáról. A fizikában kevésbé járatos olvasó, most bizonyára azt gondolja, hogy Ostwald bevezetése a klasszikus fizikában érvényes, de a modern fizikára már nem terjeszthető ki, a probléma azonban ennél súlyossabb. A newtoni mechanikát kivéve az energia egyes tagjai nem függetlenek egymástól! Nem kell a fizika egyes területeit részletesen végig nézni, hogy ezt belássuk. Elegendő a termodinamikát vizsgálni. A fizikának ezen ága éppen úgy érvényes a klasszikus fizika minden területén, mint a modern fizikában, és egyébként is e terület témaköre az energia. A termodinamikában a belső energia képlete:

,

 melyben a változók szintén nem függetlenek egymástól.[66] Az entrópiáról tudjuk, hogy: függ a részecske számtól, a

tehát szintén függ a részecskék számától, a harmadik tagban szerepel maga az n. Mindebből látszik, hogy nem független energia tagokról van szó.

Összefoglalva azt mondhatjuk, hogy a newtoni mechanika speciális esetétől eltekintve az energia egyes tagjai nem függetlenek egymástól. Ostwald mechanikán keresztüli energia bevezetése egy téves energiaképhez vezet, mely szerint az energia különböző energiafajták összegéből áll. Láttuk azonban, hogy e tagok általánosabb esetben nem függetlenek egymástól, nem kezelhetők külön energiákként!  Ez a megállapítás egyaránt érvényes a modern és a klasszikus fizikában is. Ostwald tévedésének oka, hogy az energiát a klasszikus mechanikán keresztül vezeti be. Az energia mechanikán keresztüli bevezetése magában hordozza annak a tévedésnek a lehetőségét, hogy az egyes energiafajták egymástól függetlenek.[67] Az energetizmus energia felfogásának első hibája, hogy egymástól független energiatagokat tételez fel.  Az energetizmus egymástól független energiákat használ, melyek egymásba átalakulnak, valójában nem beszélhetünk külön energiafajtákról csak energiáról! Az energiafajták nem léteznek önállóan! A különböző formájú energiák az emberi felhasználás miatt alakultak ki. Mi emberek adott helyzetben csak bizonyos formájú energiát vagyunk képesek felhasználni, például: szervezetünk létfenntartásához, csak a kémiai energiát tudjuk felhasználni, az elektromos vagy mechanikai energiát nem. Azt mondhatjuk, hogy nem léteznek energiafajták csak mi emberek nem minden formájú energiát vagyunk képesek felhasználni, ezek az energiafajták pusztán a mi felhasználási szemszögünkből léteznek a valóságban nem. 

 

Az energia fogalma konstrukció, mint sok más fogalmunk, mint munka, hő, nyomás, térfogat stb. És a konstruktumokat mi emberek hozzuk létre, alakítjuk ki. Persze fontos, hogy miután „létrehoztuk”, utána ellentmondásmentesen használjuk.

 

Ha belegondolunk, Ostwald vázolt hibája bölcseleti szempontból is komoly következményekkel jár. Gondolatmenetének fontos eleme, hogy a különböző energiaformák egymásba alakulnak át, ha nincsenek külön energiaformák ez nem lehetséges. Az energetizmus alapgondolata, hogy minden energia még így is megmaradhat, de Ostwald elképzelését módosítani kellene. A következő hiba, mely az energiafogalmát érinti már végzetes lesz bölcseleti szempontból is Ostwaldra nézve.

Ostwald a második főtétel tárgyalásakor vezeti be a szabad energiát az ő fogalma, nem felel meg a fizika által használt szabadenergiának. Egy más mennyiséget jelöl vele, mely megadja, hogy a rendszerből mennyi munkát tudunk kivenni.  Megkülönböztet nyugvó és szabad energiát.[68] Az energia felosztható szabad és nyugvó összegére:

.

Szabad energiának nevezi az energia azon részét, amely munkavégzésre képes. Egy rendszer munka(energia)végző képessége nem rész a rendszer energiájának, ez Ostwald tévedése. Röviden azt mondhatjuk: nem tesz különbséget energia és szabad energia között. Első ránézésre jogosnak tűnik, hogy az energiát szabad és nyugvó részre osszuk fel (), de ha belegondolunk, mit jelent az, hogy egy rendszer munkavégzésre képes, rádöbbenünk, hogy a fenti képlet hibás! Egy rendszer akkor képes munkát végezni (szabad energiával rendelkezik), ha nincsen egyensúlyban a környezetével. Ezek után gondoljunk egy lehűtött tartályra, melyben folyékony oxigén van. Mindannyiunk számára világos, hogy egy ilyen tartály munkavégzésre képes, azt hiszem elegendő arra gondolni, hogy milyen károkat okozhatna ez a tartály, ha kiböknénk a falát. Ugyanakkor ennek a tartálynak az energiája nem osztható fel, szabad és nyugvó energia összegére. A probléma világosabb megértése érdekében nézzünk egy másik példát. Az abszolút nulla fokra lehűtött gáz energiája nulla, de az iménti példa értelmében még munkavégzésre képes lehet. Az energia nyugvó és szabad részre osztása tévedés. A fenti példákból látszik, hogy az úgynevezett szabad energia nem része az energiának, értéke bizonyos esetekben nagyobb is lehet az energiánál. Ostwald energiával kapcsolatos legnagyobb tévedése, hogy a szabad energiát az energia részének tekinti! Ez a hiba a korunkban is sokszor megjelenik, ezért a fizikatanításban nagyobb hangsúlyt kellene fektetni rá. Mire???????

Az energetizmus filozófiai rendszerében végzetes, hiba, hogy Ostwald a szabad energiát az energia részének gondolja el. A világ nem írható le pusztán az energiával, mivel a második főtétel irányt szab a folyamatoknak. A folyamatok menete során midig kell egy másik mennyiség mely jellemzi azt pl: entrópia, extrópia, exergia (utóbbi két fogalmat lásd később). Ez a mennyiség azonban nem magyarázható pusztán az energiával, vagyis a világban lévő dolgok nem magyarázhatók meg teljes egészében az energiával. Ostwald a fizika utáni tudományokat élettant, lélektant, társadalomtudományokat egyaránt a szabad energia segítségével magyarázza. A szabad energia azonban nem része az energiának, tehát ezeket a tudományokat valójában nem az energia révén írja le. Ezzel beláttuk, hogy az energetizmus valójában nem csak az energia révén magyarázza a világot, hanem egy másik mennyiséget is használ ehhez, alapkoncepciója megdől, mely szerint a világon minden energia.   

Szövegdoboz:  Az exergia a fizikában kevéssé ismert mennyiség, megadja, hogy egy rendszerből maximálisan mennyi munkát lehetne kivenni. Megmutatja, hogy mekkora az az energiamennyiség melyet a rendszer lead, ha egyensúlyba kerül a környezetével.
Fényes Imre Termodinamika és Termosztatika című tankönyvében a következő definíciót adja az exergiára: „Az energiaforrásból bizonyos adott feltételek mellett maximálisan kinyerhető energiát exergiának nevezzük” (285. p.)
Ideális esetben (ha a felszabaduló energiát teljesen hasznosítani tudjuk) azt mondhatjuk, hogy az exergia megegyezik a munkavégző képességgel. Dolgozatom további részeiben mindig ideális esetekre gondolok, ha az exergiát a munkavégző képességgel azonosítom.  

Ostwald szabad energia alatt mást ért mi napjaink fizikusai. Az érthetőség kedvéjért a továbbiakban nem szabad energiának fogom én sem hívni, hanem exergiának, mely teljesen megfelel az ostwaldi szabad energia fogalomnak.[69] 

Ostwald általam feltárt harmadik hibája dolgozatom szempontjából kevésbé releváns, de néhány sort mindenképpen megér. Az élet, lélek, társadalom létrejöttének magyarázata Ostwald szerint a szabadenergia hatékonyabb hasznosításával magyarázható. (Most tekintsünk el a szabadenergia Ostwald szerinti használatának hibáitól.) Az élőlények olyan stacioner képződmények melyek maguk szerzik be a létezésükhöz szükséges energiát. A növények a napsugárzás által, az állatok a növények kémiai energiája által. Az élővilág azonban nem magyarázható pusztán az energia hatékonyabb megszerzésével.

Ostwald  Darwin evolúciós elméletét összeköti az energetizmussal. A Föld exergia (szabda energia) készletei végesek, ezért az élőlények között egyfajta verseny alakult ki a rendelkezésre álló exergia (szabad energia) felhasználásáért.  Állítása szerint a fejlettebb fajok hatékonyabban hasznosítják az energiát. Ez azonban tévedés! Egyfelől nem igaz, hogy a fejlettebb fajok hatékonyabb energia felhasználók, másfelől a felhasználható energia formája sem mindegy.

Először is az energia hatékonyabb felhasználása nem jelent fejlettebb élőlényt. Az ember mindenképpen fejlettebbnek mondható egyszerű gombáknál vagy baktériumoknál, de ezek néhány képviselője hatékonyabban használja fel az energiát, mint az ember. Valamint a nők fajlagos energiafelhasználása jobb a férfiakénál, tehát ők fejlettebbek lennének? A válasz igen! A példákból látszik, hogy a fejletségi szintet nem szabad összekötni a hatékonyabb energiafelhasználással. Hiszen az egyszerű gombákat vagy baktériumokat senki nem tartaná fejlettebbnek az embernél, és a nők és férfiak fejletségi szintjét sem szoktuk megkülönböztetni.

Az elmélet másik hibája, hogy nem veszi figyelembe, hogy milyen formájú energia áll rendelkezésre. Az élőlények nem tudnak tetszőleges formájú szabad energiát hasznosítani, csak bizonyos formában képesek erre. Például: mi emberek fejlett élőlénynek mondatjuk magunkat, mégsem vagyunk képesek, mondjuk a napsütötte meleg kövek exergiájából (szabad energiájából) fedezni saját szükségleteinket. Talán még szemléletesebb a példa, ha az ebédre gondolunk. Az ebéd alkotórészei, nyers hús, víz, só, nyers gabonák, zöldségek stb. Együttesen több exergiát (szabad energiát) hordoznak, mint elkészítve, de mi elkészítve mégis jobban hasznosítjuk ezeket, mint nyers formában. Az élőlények nem képesek a rendelkezésre álló exergiát (szabad energiát) tetszőlegesen hasznosítani, lényeges ennek az energiának a formája!

Mivel Ostwald az emberi felhasználás számára oly fontos energiaformák között nem tesz különbséget, ezért energiafelhasználáson alapuló evolúciós elmélete hibás! A társadalomról, kultúráról szóló további fejtegetései szintén ezen az energiafelhasználás alapú evolúciós elméleten nyugszanak, szintén hibásak.

 

Nem azt írta korábban, hogy nincsenek energiaformák?

 

Ostwald bemutatott hibái az energia helytelen értelmezéséből fakadnak, az első két hiba sajnos korunkban is nagyon gyakori, ezért az oktatásban nagyobb figyelmet kellene fordítani rá.

Az exerigia (szabad energia) és energia egy fogalomban történő egyesítése Ostwald előtt már megtörtént. Dolgozatomnak nem célja, hogy feltárja, miért és kinél történt meg ez először az egyesítés. Az enregtizmust azért tárgyaltam részletesebben, mert a hibák ebben az irányzatban a legszembetűnőbbek, és feltehetőleg elmélyítésükben, és elterjesztésében jelentős szerepe volt az energetizmusnak.

Ennek a könyvnek a magyar megfelelője Fehér Ipoly Kísérleti Természettan című középiskolás tankönyve. Dolgozatom következő részében ebben a tankönyvben található hibákra hívom fel a figyelmet.

 

Energiafogalom a tanításban:

 

Fehér Ipoly Kísérleti természettana:

            Fehér Ipoly 1842-1909 tudós bencésszerzetes fizikatanár, az MTA tagja majd Pannonhalmi főapát. 1872-ben megírja a Kísérleti Természettan című tankönyvét. Hazánk középiskoláiban körülbelül ötven évig használták, de az igazsághoz tartozik, hogy többször átdolgozzák, és az utolsó kiadások már alig hasonlítottak az elsőre. A fizika tankönyv mellett kémiából Vegytan alapjai címmel és matematikából Felsőbb mennyiségtan elmélete címmel is írt könyveket.[70] Kísérleti Természettan című tankönyve úttörő munka volt hazánkban. Előtte középiskoláknak nem készült átfogó tankönyv, csak külföldi munkákra támaszkodhatott. Valamint a könyvében az akkori fizika legújabb eredményeit is igyekszik bemutatni. Gondoljunk csak bele, a könyvet 1872-ben jelentette meg. Az elektromágnesesség elmélete és a termodinamika mindössze pár éve született meg, ennek ellenére Fehér Ipoly tankönyvében szerepelnek ezek a témakörök is. A termodinamika első és második főtétele a hő mechanikai elmélete először Szily Kálmánnál jelenik meg hazánkban, az ő 1867-es akadémiai székfoglalója révén[71], valamint németnyelvű cikkekből ismerte és tankönyvébe be is építette ezeket.   Ma ez körülbelül azt jelentené, hogy egy középiskolás tankönyv feldolgozza a 80-as évek részecskekutatási eredményeit vagy kozmológiáját, és nem pusztán ismeretterjesztő szinten. Fehér Ipoly másik nagy nehézsége az volt, hogy a magyar nyelvben ekkora még nem alakultak ki a szakterminológiák, például nem volt szó az energiára, ezért erélynek nevezi. Saját bevallása szerint a szót az erkölcstanból kölcsönözte. Fehér Ipoly Kísérleti Természettana úttörő munka volt. Tankönyvként is megállta a helyét, ezért csak méltatni lehet. Mint minden tankönyvnek azonban vannak hibái, különösen a termodinamika és az energia terén. Még egyszer szeretném hangsúlyozni, hogy ezek a hibák nem a szerző érdemét csorbítják. Ha száznegyven év múlva valaki számon kérné rajtunk, hogy a modern fizikában miket tanítottunk, ami nem húsz, hanem nyolcvan, száz évre van tőlünk. Azt hiszem, örülhetnénk, ha csak annyi hibát látna, mint mi most Fehér Ipoly Kísérleti természettanában.

            Dolgozatomban a Kísérleti Természettan termodinamikáról, és energiáról szóló részeit érintem csak. Fehér Ipoly a mai termodinamika egészét nem tárgyalja. Leginkább a hőről, szilárd, folyékony és légnemű anyagok hő tágulásáról, halmazállapot változásról beszél, illetve különböző technikai eszközök leírása található meg, mint például hőmérőké. A hőanyag elméletet természetesen elveti, helyette a hőt részecskemozgással magyarázza. Példákon keresztül megmutatja, hogy az erély nem vész el csak átalakul általában hővé, [72] és ezután a fejezet végéig az energia helyett a hőt használja, hő alatt egyszerre több fogalmat ért. Például az emberi test energia háztartását úgy magyarázza, hogy a táplálék által érkező kémiai energia hővé alakul, majd ez a hő végez munkát. Dolgozatomnak nem célja, hogy Fehér Ipoly energia helyetti hő használatát részletesen kifejtsem, és e téves meglátásáról beszéljek. Mindössze azokat a félreértéseket szeretném kiemelni, melyek a mai napig is gyakran az energiához kapcsolódnak. Az egyik ilyen tévedés melyet Ostwaldnál is vázoltam, hogy a munkavégző képességet (szabad energiát, vagy exergiát ) és az energiát egy fogalomként kezelik. Fehér Ipoly az erélyt a mechanikában vezeti be. Először az erő munkáját adja meg mely természetesen:

 (A=W és P=F így az ismerős képletet kapjuk ; Fehér Ipoly más jelöléseket használ). Egy test energiája az a munkavégző képessége:

 ;  ()

  ;  ()

Gyorsulás során megtett út:       

 ;  ()

  A két képletet egymásba helyettesítve:

  ;  ()

A munka helyére most már az energiát írva:

  ;  ()

Newton második törvényét  ; () az erő helyébe behelyettesítve:

Ezzel egy mozgó test erélyét megkaptuk ami, nem más, mint munkavégző képessége.[73]

 A levezetésből is látszik, hogy Fehér Ipoly az energiát munkavégző képességnek gondolja. Több helyen le is írja, hogy az erély nem más, mint munkavégző képesség. Tudjuk jól, hogy a munkavégző képesség nem azonos az energiával. A mechanikában látszólag azonosnak tűnik munkavégző képesség (exergia) és energia, de ez csak akkor igaz, ha a sebességet, mindig a nyugalmi rendszerhez viszonyítjuk és ami hiba elfelejtkezünk a Galilei transzformációról. Ezen pici csúsztatás után a mechanikai energia valóban azonos lesz a munkavégző képességgel. A két fogalom azonban különböző! Azt gondolhatnánk, hogy Fehér Ipoly itt valójában nem is az energiát érti erély alatt, hanem az exergiát. Egyes helyeken azonban azt mondja: „az erély nem vész el csak átalakul más eréllyé”[74] illetve „erély alakot cserélhet, de mennyisége nem változik meg”[75]ezek pedig egyértelműen az energiára vonatkoznak. Látható, hogy Fehér Ipoly erélye azonos az energiával, ugyanakkor energia és exergia (munkavégző képesség) között nem tesz különbséget.

            A Kísérleti Természettanban Ostwald másik hibáját is felfedezhetjük, mely külön energiafajták létét tételezi fel. Jól megfigyelhető ez, mikor Fehér Ipoly az erélyről a hőre tér át, és az a hő ismét képes munkát végezni.

Végül még egy hibát érdemes kiemelni a könyvből. Többször olvasható, hogy a hő teljes egészében visszaalakítható energiává. A második főtétel értelmében ez azonban lehetetlen. Ezért a hibát a legkevésbé róhatjuk fel Fehér Ipolynak, hiszen tankönyve megjelenése előtt nem sokkal tisztázódott le a második főtétel formája. Ez körülbelül akkor olyan hiányosság volt, mint most nem precízen beszélni a gyorsulva táguló univerzumról egy középiskolás tanárnak. 

A hibák következményei:

            Fizikusok, fizikatanárok sokszor csodálkozva állnak a gyerekek előtt, hogy miért nem értik az energia megmaradást. A definíciót bemagoltatják velük, s miután ezt tudják, megdöbbenéssel konstatálják, hogy nem értik a törvény. A fizikában használt energia egy nehéz fogalom, de ha az ember egyszer megérti, utólag már nem látja mi volt benne a nehézség, mert triviálisnak tűnik. A nehézség oka, hogy a hétköznapi energiafogalom és a fizikában használt nem egyezik meg. Fehér Ipoly erélyével a legnagyobb baj, hogy nem különíti el a hétköznapi energia fogalmat és a fizikában használt energia között azzal, hogy az erélyt, mint munkavégzők épességet vezeti be. A diákokban keletkező zavar létezésének szép bizonyítéka Móra Ferenc Az energia megmaradás című novellája.

            Móra Ferenc Fehér Ipoly tankönyvéből tanulta a fizikát, ez a novellából egyértelműen kiderül. Abban is biztosak lehetünk, hogy Móra Ferenc járatos volt a fizikában, mert részletesen beszél arról, hogy az energia miként alakul át különböző megjelenési formáiba: „A kezemmel az asztalra ütök: a kezem ereje átváltozik hanggá és hővé. A kezem erejével elhajítom a követ: a kezem ereje átváltozott mozgási energiává. A nap sugárzó energiája létrehozta a sigillaria-erdőt, a sigillaria- erdőből lett a kőszén. A gépházban a kőszén lappangó energiája átalakul hővé, ebből a hőből csinál a gőzgép mozgási energiát. A mozgási energia dinamókat hajtva elektromos energiává lesz, s ez megint kocsikat hajt, a kocsiban levő elektromotor mágneseinek helyzeti energiájából átalakulván a kocsi mozgási energiájává. Ez az energia pedig, mikor a kocsit megállítják, a fékezőhöz való súrlódással átalakul hővé. A sorozat a nap melegével kezdődött, és a fékezőével végződik.”[76] Az idézett részből látszik, hogy Móra fizikatudása a mostani átlagtudást is meghaladta. Nem mondhatjuk, hogy nem ismerte a fizikát, de az energia megmaradást mégsem fogadta el. A fizikusok tekintélyét elismeri, ezért az gondolja, nem érti az energia megmaradást. A zavar oka egyértelmű, Móra valójában nem a fizikai energiát érti az energia szó alatt, ez egyértelműen látszik mikor a következőt írja: „Az energia megmaradása annyit jelent, hogy semmi erő a világon el nem vész, csak átváltozik.” Egyértelműen látszik, hogy az energiát, mint valamiféle erőt vagy munkavégző képességként gondolja el. Ennek egyértelmű oka Fehér Ipoly mechanikai erély bevezetése, mely munkavégzésként, mely a köznyelvben az erőhöz párosul, mutatja be az erélyt. A munkavégző képességként bemutatott energia megfeleltethető a hétköznapi energiával. A novellában ez is szépen megfigyelhető: „Mibe költözött át, hová lobogott el olyan nyomtalan a szív, az elme, a szerelem, a gyűlölet, a tudásvágy energiája? Értem, akiét megette bor, asszony, muzsika; értem, ha a nagy verekedők, a nagy szerzők, a nagy tolvajok nem kereskednek a maguké után, de hová lett a mienk, csöndes életeké, halk és szerény fűembereké, akik arra rendeltettünk, hogy békében éljünk a többivel a világ embergyepében? Mit hozott létre az én energiám és a százaké és az ezreké, ezé az egész nemzedéké, amely immár tehetetlen kóróul zörög a világ avarján? A műhelyünkben, a boltunkban, az íróasztalunknál, a katedránkon mind hittünk valamiben, mind építettünk valamit, mi lett abból, hova lett az, hol annak a foganatja, melyik csillag az, ahol a csírájukba halt álmokat garmadába rakják az angyalok a születendő világok számára?” A gyönyörűen formált mondatokból az is kiderül, hogy az erőként értelmezett energia, nem megmaradó mennyiség. Korunk diákjai sem gondolkodnak másként az energiáról, mint Móra. Ezek után talán érthetővé válik, hogy miért nem érti a diákok többsége az energia megmaradás törvényét.

            Móra Ferenc novellájából jól látszik, hogy a hétköznapi nyelvben az energia valamiféle változtató képességet jelent, mely nem maradt meg, hanem eltűnik. Fehér Ipoly tankönyvében a változtató képesség, ami gyakorlatilag egy munkavégző képesség, és a megmaradó energia egy fogalomként szerepel. A munkavégzés azonban nem marad meg, ez mindannyiunk számára triviális, a világ jelenségeiben a munkavégző képesség mindig eltűnik. Számtalan példára gondolhatunk: a szén munkavégző képessége eltűnik, ha elégetjük; az elektromos áram munkája szintén elenyészik, ha nem így lenne, nem kellene villanyszámlát fizetni, hiszen a lakásban lévő elektromos áramot ismét munkára foghatnánk. Az utóbbi példából látszik, hogy hétköznapi világunkban az energiát, nem az első, hanem a második főtétellel kapcsoljuk össze.  

A több jelentésű energia:

            A hétköznapi nyelvhasználat során szinte megszámlálhatatlan dolgot értünk energia alatt, beszélünk a lakásunkba érkező gáz, villany energiájáról mellyel főzünk, melegítünk, a mobiltelefon energiájáról (utóbbi kettő alatt munkavégző képességet értünk), de beszélünk élet energiáról, szexuális energiáról vagy az ezoterikus irodalomban beszélnek a világot átható energiákról, vagy Móra Ferenc novella írásra használt energiáját,  és bizonyára még jó néhány energiáról. Ezeket az energiákat nem hiszem, hogy egy fogalom alá lehetne sorolni, de annyiban közös, hogy mindegyik valamiféle változtatási képességet jelent (bár az ezoterikus energiára ez nem biztos, hogy illik, igazándiból kibogozhatatlan, hogy az ilyen jellegű munkákban, mit értenek energia alatt). Az előbbi felsorolásból is látszik, hogy a hétköznapi energia fogalom nagyjából, valamiféle erőt, munkavégzési képességet, hajlandóságot jelent, ezt láttuk Móra Ferenc novellájában is. Azt mondhatjuk, hogy a köznyelvi energia többé-kevésbé megfelel ennek. Ez az energia nem megmaradó mennyiség, hiszen a munkavégző képesség, változtatási kézség nem marad meg, hanem elveszik, a második főtétel lényege pontosan ez. A folyamatok egyensúlyra vezetnek, mely során a munkavégző képesség eltűnik. Mindennapos tapasztalatunk is erről győz meg bennünket. A mobiltelefon „energiája lemerül”; az ember elfárad, „energiája elfogy”, és még sorolhatnám a példákat. Hétköznapi tapasztalatunk révén a köznyelvi energiát a második főtétellel kötjük össze. Ezzel szemben a fizikai energia egy absztrakt fogalom, mely nem a második, hanem az első főtételből származik, és mindenek előtt egy megmaradó mennyiség.[77]

Exergia:

Felvetődik a kérdés vajon a hétköznapi energiafogalmat nem lehetne-e az energiához hasonlóan valamilyen fizikai mennyiséggel jellemezni. A válasz igen! A hétköznapi energiának megfelelő fizikai mennyiség az exergia. Az exergiáról bevezető jelleggel már pár szót ejtettem, de most részletesebben bemutatom a fogalmat.

Egy rendszerből elvileg (ideális esetben) kinyerhető munkát nevezzük exergiának. Munkát csak akkor végezhet valami, ha nincsen egyensúlyban a környezetével, ez tulajdonképpen a második főtétel, és teljesen triviális hétköznapi tapasztalat is. A szobahőmérsékletű radiátor nem végez munkát, nem melegíti lakásunkat. Egy tó energiája nem hasznosítható, míg egy gyors esésű folyóé igen, ha erőműművet építenek rajta. A példák sokaságát sorolhatnám még, de fölösleges, hiszen ezek mindegyike triviális. Az is világos, hogy egy rendszer annál több munkát végezhet, minél „távolabb” van a környezete egyensúlyától, vagyis az exergia arányos az egyensúlytól való távolsággal. A jobb megértés kedvéért, nézzünk egy egyszerű példát:

Egy vízesés nyilvánvalóan munkavégzésre képes, tehát exergiával rendelkezik. A lezúduló víz nincs egyensúlyban környezetével (ezért zúdul le), bizonyos mennyiségű exergiával rendelkezik. A leérkezett víz már egyensúlyban van a környezetével (energiát már nem nyerhetünk belőle, nem használható munkavégzésre), tehát exergiája zérus. A vízesés alján lévő víz is rendelkezik energiával (pl.: belső vagy kémiai energiával), de ez már nem hasznosítható. A vízesés tetején lévő víz ezzel szemben még munkavégzésre fogható, exergiája arányos a vízesés magasságával. Ideális esetben a vízesésből

helyzeti energia különbség fordíthat munkavégzésre, vagyis ez az exergiája. Érdekes még megnézni a rendelkezésre álló energiák hányadát:

 

látszik, hogy nem a rendszer energiaértékétől, hanem a rendszer egyensúlytól való távolsággal függ.[78] (Gondoljuk csak végig: gyakorlatilag mindegy, hogy -os víz zúdul le vagy -os, ha termikus egyensúlyban van környezetével, a kinyerhető munka nagysága pusztán a zuhatag magasságától függ.)

Számoljuk, ki egy  hőmérsékletű hőtartály exergiáját,  hőmérsékletű környezethez képest:

Hőtartályunk belső energiája a hőmérséklettel arányos:

  (c hőkapacitást jelöli)

környezeti hőmérsékleten:

Exergia a két érték különbsége:

Érdemes most is megnézni az energia hányadot:

 

Ez nagyon tetszik!!!!!!

 

Meglepően tapasztaljuk, hogy a Carnot-körfolyamat hatásfokát kaptuk. A megegyezés nem véletlen! Carnot hőerőgépek hatásfokának vizsgálatakor jött rá erre az összefüggésre, mely szerint a gépek hatásfoka a hőtartályok hőmérsékletkülönbségétől függ, vagyis a belőlük kinyerhető energia a kezdeti és végállapot hőmérsékletétől függ. Mi ugyanezt tettük, amikor arra voltunk kíváncsiak, hogy az exergia (a rendszerből kinyerhető energia) mitől függ.[79] Hőerőgépekből és minden más rendszerből kinyerhető energia a kezdeti és végállapottól függ, vagyis attól, hogy rendszerünk milyen messze van az egyensúlytól. 

Az iménti két példában mindössze egyetlen intenzív mennyisége tért el a környezettel való egyensúlytól. Az exergiát azonban általános esetben is meg tudjuk adni:

Mindig arra kell figyelnünk, hogy a az 1 állapot rendszerünk állapota legyen míg a 2 az egyensúlyi állapot. Az exergia legfontosabb különbsége az energiához képest, hogy nem megmaradó mennyiség.

A hétköznapi nyelvhasználatban, mikor energia válságról, vagy a Föld kimerülő energia forrásairól, a mobiltelefon lemerült energiájáról hallunk, mindig az exergiát értjük alatta. Az exergia, mint munkavégző képesség mindig csökken, nem megmaradó mennyiség, míg az energia a folyamatok során állandó marad.

Exergia hibás értelmezése:

            Az energetizmus hibái között találtuk, hogy nem tesz különbséget un. szabad energia és az energia között. Dolgozatom előző fejezeteiben utaltam rá, hogy az ostwaldi szabad energia az exergiának megfelelő mennyiség és nem szabad összetéveszteni a fizikában használt szabadenergiával. Ostwald szabad energia alatt a rendszerből maximálisan kinyerhető energiát érti, ami pontosan az exergia. Megmutattam, hogy ez a mennyiség nem az energia része. Az exergiánál pontosan erre kell vigyáznunk, nem szabad az energia részének gondolnunk. Az exergia munkavégző képesség, míg az energia megmaradó mennyiség. Az exergia és energia mechanikán keresztüli bevezetése könnyen vezet arra a tévedésre, hogy előbbi az utóbbi része. Nézzünk egy példát, mely könnyen vezethet erre a hibára: Egy test  sebességgel mozog a környezetéhez képest, mivel koordinátarendszerünk a környezethez kötött így környezetünk sebessége  . Ebben a rendszerben a test mozgási energiája:

exergiája pedig:

Látható, hogy ebben a példában az exergia nem pusztán része az energiának, hanem meg is egyezik vele. Fehér Ipoly mechanikán keresztüli erély bevezetésének is ez a hibája. A fenti példából látszik, hogy az energia mint  munkavégző képesség jelenik meg. Példánkban szereplő test mozgási energiája és munkavégző képessége megegyezik, ez azonban nem igaz általános esetben. Gondoljunk a Galilei transzformációra! Koordinátarendszerünket ne a környezethez hanem a mozgó testhez rögzítsük. Ekkor testünk mozgási energiája zérus, míg exergiája:

Galilei transzformáció miatt a mostani   egyenlő az előző példa -vel, tehát a két exergia megegyezik, a test mindkét esetben ugyanannyi munkát végezhet, de a mozgási energiájuk különböző. A példából látszik, hogy az exergia nem egyenlő az energiával! A mechanikán keresztüli energia bevezetés könnyen vezethet egy ilyen tévképzethez, feltehetőleg Fehér Ipoly is ebbe a csapdába esett bele.

Az exergia bevezetésénél használt vízeséses példa is könnyen tévedéshez vezethet, mely szerint az exergia az energia része. Írjuk fel a vízesés tetején lévő víz és az alján lévő energiáját:

A vízesés tetején:

és az alján:

A két állapot különbsége:

ami pontosan megegyezik az exergiával. Példa alapján azt mondhatnánk, hogy az energia két részre osztható, exergiár és un. anergiára:

Azt mondhatjuk az anergia az energia hasznosíthatatlan része. Ez azonban tévedés!!! Az exergia nem része az energiának, következésképpen anergia nem is létezik! Ostwald hibái kapcsán vázoltam egy példát, melyben az exergia nagyobb volt az energiánál, tehát nem lehet annak része. Az érthetőség kedvéért röviden idézzünk fel egy példát. Legyen egy -os gáznak melynek belső és minden más energiája nulla, exergiája azonban nem az, hiszen képes munkát végezni, gondoljunk csak arra, hogy mekkora pusztítást tudna okozni egy ilyen hidegre lehűtött tartály, ha kiszórnánk falát.

            Az iménti hiba ma is gyakran előfordul, műszaki hőtanról szóló könyvekben leírják, hogy az exergia az energia része.[80] Mentségükre legyen mondva, hogy a mérnöki gyakorlatban nagyrészt olyan esetek fordulnak elő, ahol a vázolt hiba nem okoz problémákat. Ha az energiát az iskolákban a mechanikán keresztül vezetik be, és nem hívják fel a figyelmet a Galilei transzformációra, akkor a tanulók fejében is könnyen összemosódhat a két fogalom.

            Az exergia megértésére kiváló példa az általam is vázolt vízesés, de azzal a veszéllyel fenyeget, hogy az exergiát az energia részének tekintjük, ha ezen keresztül vezetjük be az exergiát.  Okvetlenül fel kell ívni erre a hibalehetőségre a figyelmet, és érdemes a lehűtött tartály esetét is megemlíteni. Az exergia szemléletes jelentését nem az energia révén lehet bemutatni, hanem az egyensúlytól való távolsággal. Az exergia helyes értelmezése az egyensúlytól való távolság adja meg.

            Dolgozatom későbbi fejezetében felhívom a figyelmet arra, hogy az exergiát, mint fizikai mennyiséget érdemes lenne a középiskolákban tanítani, hogy a több jelentésű energiafogalomból adódó tévedéseket elkerüljük.  

 

Ma is élő Ostwald:

 

Energiafogalmunk és az energetizmus:

            Dolgozatomban már említettem, hogy az energia szavunk története meglehetősen kacifántos. A szó eredete, mint sok más kifejezésé is, Arisztotelésztől származik. Retorikájának III. könyvében használja, ami jelentéstől teljesen eltérően a költői szót és a képzelet erejét próbálta meghatározni vele.[81] Az energia kétezer évig csak a retorikában használt fogalom volt. A XIX. század alakította ki mai energiafogalmunkat, sőt a hétköznapi energia fogalom (exergia) is ekkor alakult ki. A kor fogalmi nehézségeit jól jelzi Fehér Ipoly erély szava, ebből is látszik, hogy a fogalom neve sokáig nem volt ismert. Az energetizmus bűnének tekinthetjük, hogy a mai hétköznapi energiát behozta a köztudatba, és el is terjesztette. Gyakorlatilag Ostwald energia fogalma él ma is a köztudatban.

            Az energetizmus, mint bölcseleti rendszer megbukott, világszemlélete azonban korunk jó néhány fizikusában tovább él. Népszerű gondolat, hogy a világ (legalább is a fizikai világ) nem más, mint a téridőben mozgó energia. Ezek a gondolatok jól megfigyelhetőek pl: Hawking W. Stephen műveiben. (A félreértés elkerülése végett, szeretném leszögezni, hogy nem azt állítom, hogy neves fizikusaink nem értenék az energiát, pusztán azt, hogy az ostwaldi filozofikus energiafogalomhoz nagyon hasonló energiafogalmat találunk náluk is.)  

Dolgozatom korábbi fejezeteiben rávilágítottam arra, hogy Ostwald hibás energia felfogásának a mechanikai bevezetésnek köszönhető. Ugyanezt a hibát fedezhettük fel Fehér Ipoly kísérleti természettanában is. Korunkban a fizikaoktatását általában a mechanikával kezdik, itt kerül először bevezetésre az energia. Dolgozatom hátralévő részében azt próbálom megvizsgálni majd, hogy a mai fizikaoktatásban nem lépnek-e fel hasonló problémák, és ha igen miként kezelhetőek ezek.

Napjain tankönyvei és az energia:

            Hazánkban hagyományosan a mechanikával kezdik a fizikatanítását, bár voltak és vannak tankönyvek melyek a termodinamikát helyezik előre. Először nézzük azokat a könyveket melyekben az energiát a mechanikán keresztül vezetik be.

 Azokban a könyvekben, melyekben a mechanikán keresztül vezetik be az energiát, fennáll annak a veszélye, hogy a diákok nem látják meg pontosan, hogy mi a valódi különbség az energia és a hétköznapi energia (exergia) között. A félreértés elkerülése végett szeretném leszögezni. Nem gondolom azt, hogy a tankönyvek szerzői ne lennének tisztában az energia jelentésével. Nagyon is tisztában vannak vele, ezt bizonyítja az is, hogy a mechanikai bevezetés számukra nem okoz fogalmi nehézséget, hiszen aki már érti a fizikai energiát, nem értelmezi félre a mechanikai bevezetést. Mindenképpen azt is le szeretném szögezni, hogy mindaz, amit a mechanikai energiáról írnak a könyvekben teljesen helytálló! Egyetlen gond vele: a diákok egy része könnyedén félreértheti, mert a hagyományos a munka által vezetés nem hangsúlyozzák az energia és az exergia között.

 Röviden megpróbálom megmutatni, hogy a mechanikában bevezetett energia, mért vezethet a diákok számára egy téves energia felfogáshoz. A következőkben nem hivatkozom konkrét tankönyvekre, mert nem szeretnék senkit sem megbántani. Tudom a tankönyvírás nehéz dolog, egyszerre kell figyelni a leírt dolgok tudományos precizitására, az érthetőségre és a stilisztikára, valamint a könyvnek meg kell felelnie a kerettanterv, diákok és tanárok elvárásának. Tökéletes munkát senki nem tud alkotni, és utólag mindig könnyű kritizálni. Ezért nem a szerzőket szeretném hibáztatni, sokkal inkább a fizikatanítás gyakorlatát, mely az energiát először a mechanikában vezeti be. Ez az örökség, mint láttuk a XIX. századra vezethető vissza.

            Több fizikakönyvben a következőt olvashatjuk az energiáról: „Energiának nevezünk valamely test vagy szerkezet munkavégzésre való képességét.” Ez azonban nem az energia, hanem az exergia!!!! A téves definíció oka az, hogy az energiát a munkán keresztül vezetik be. A mechanikában például úgy, hogy a testek mozgási energiáját azzal a munkával azonosítják, melyre a testet az adott v sebességre felgyorsítja. Van olyan tankönyv melyben a Fehér Ipoly erély bevezetéséhez teljesen hasonlót találunk:

Mozgó testek képesek energiájuk elvesztésével munkát végezni, példánkban legyen egy m tömegű v sebességű testünk, mely   

út megtétele után megáll, közben gyorsulása a, ebből adódóan a test fékező ereje  ennek az erőnek a munkája:

ami pontosan a mozgási energia. Vannak könyvek melyekben így, vagy ehhez hasonlóan definiálják az energiát. Látjuk azonban, hogy ez a levezetés kísértetiesen hasonlít Fehér Ipoly levezetéséhez, melyről beláttuk, hogy hibás energiaképhez vezethet. Érdemes megnézni, hogy ugyanezek a könyvek, mit írnak a termodinamikánál az energiáról. Általában valami hasonlót is írnak: „Zárt rendszer összes energiája állandó.”  (energia megmaradás törvénye, termodinamika I. főtétele), ezzel a definícióval semmi baj sincs, kijelenti, hogy az energia megmarad. A munkatétel kapcsán a gyerekek, megtanulják, hogy speciális körülmények között (nincsen súrlódás) az energiai megmarad. A diákok a termodinamika első főtételét könnyedén a mechanikai energia megmaradásának általánosításaként gondolják el.

A probléma oka, hogy a mechanikában bevezetett energia fogalomhoz a munkavégző képesség kapcsolódik, és nem egy megmaradó mennyiség. Az exergiáról szóló fejezetben megmutattam, hogy a gyerekek előzetes energia fogalma a második főtételhez kapcsolódik, és nem az elsőhöz. Ha az energiát, mint munkavégző képességet vezetjük be, a gyerekek hétköznapi energia fogalmuknak az exergiának könnyedén megfeleltethetik. A megfeleltetést erősíti, hogy a gyerekek hajlamosak elfeledkezni a Galilei transzformációról. Ha ezt megtesszük, (amit nem szabadna!!!) akkor a mechanikai energia és az exergia értéke megegyezik. A mechanikai energia megmaradása sem okoz problémát, hiszen ez csak olyan speciális esetben igaz, amely gyakorlatilag nem létezik, és ezt a gyerekek is tudják. Láthatjuk, hogy a mechanikai energia a gyerekek fejében könnyedén összeegyeztethető az exergiával. A termodinamikában bevezetett első főtétel azonban összeegyeztethetetlen az eddig ismert exergia, és így a termodinamika és a fizikai energiafogalom érthetetlenné válik. Hétköznapi tapasztalatunk, tévében, rádióban az halljuk, hogy az energia (valójában az exergia) nem marad meg, hanem elvész. Energia válságról hallunk, könyvekben hasonlóakat olvashatunk: a vízesés lezúdul, és utána munkát már nem képes végezni. Az mondhatjuk, hogy egyes tankönyvek egy olyan mennyiségre mondják ki, hogy mindig megmarad, amely bevezetésekor úgy tűnik, hogy nem marad meg. A problémát igazán az mélyíti el, hogy a mechanikában bevezetett energia, mint munkavégző képesség megfelel a hétköznapi energia fogalmunknak. A termodinamikában kimondott törvény (az energia megmaradás) ennek azonban ellent mondani látszik. A gyerekek mielőtt a fizikaórára kerülnének, már rendelkeznek előzetes energia fogalommal, mely tulajdonképpen az exergia. Régi energia felfogásuknak nem mond ellent a munkavégző képességként bevezetett mechanikai energia, de az energia megmaradás törvénye már nem fér bele ebbe a keretbe, így érthetetlenné válik az energia. Az energia megmaradás törvényének szövegét a gyerekek természetesen megtanulják, de nem értik tartalmát, mert az általuk ismert hétköznapi energia felfogáshoz (exergiához) nem az első, hanem a második főtétel kapcsolódik.

            Az energiát, mint munkavégző képességet természetesen be lehet vezetni, és jó pár diák valószínűleg érteni is fogja a fizikai energia fogalmat, de mint a fizika népszerűségének csökkenése is mutatja, valószínűleg több gyereknek gondot okoz. A vázolt módon bevezetett energia a termodinamikában komoly bajt okozhat. Dolgozatom fő célja az, hogy felhívjam erre a problémára a figyelmet, és kezelésére lehetséges alternatívát adjak.  

Láthatjuk, hogy az energia mechanikán keresztüli bevezetése téves energia képhez vezethet. A probléma kezelésére két út kínálkozik: I. a mechanika előtt bevezetjük az energiát. II. a mechanikában úgy kell bevezetni az energiát, hogy elkerülhessük az esetleges félreértéseket. Hazánk széles fizikatankönyv választékában szerencsére mindkét megoldásra találunk példákat.

A félreértéseket elkerülő mechanikai bevezetés:

Először nézzük meg, miként lehetne a mechanikában, úgy bevezetni az energiát, hogy lehetőleg ne vezessen félreértelmezéshez. Párkölcsönhatások vizsgálata alkalmas erre. Hagyományosan az impulzus megmaradás törvényét szokták a párkölcsönhatások vizsgálatával bevezetni, de a rugalmas ütközések megfigyelésével az energia megmaradást is be lehet vele vezetni. Dr. Paál Tamás reál érdeklődésű középiskolások számára írt tankönyvében az energiát, így vezeti be:[82] Egy légpárnás sínre helyezzünk két kis kocsit, rugalmas ütközőket erősítsünk rájuk. A légpárna biztosítja, hogy a kocsik súrlódásmentesen mozogjanak, sebességüket fénykapuval (mint az ábra is mutatja) mérhetjük, de más olcsóbb megoldásokat is választhatunk, más eszközöket is pl: Holics-féle kiskocsival. A diákok az előző órákon az impulzus megmaradását ugyanezzel az eszközzel már meghatározták. A rugalmas ütközéseket azonos körülmények között megismételve, a kocsik sebessége mindegyik esetben ugyanaz lesz, ehhez nem is kell mérés a gyerekek természetes tapasztalata ugyanezt sugallja. Nézünk egy példát: 0,2 kg tömegű, 0,6 m/s sebességű kocsit ütköztessünk, azonos körülmények mellett többször, álló egy 0,1 kg tömegű kiskocsival. A rendszer impulzusa I=0,12 kg m/s, ütközés után az álló kocsi sebessége 0,8 m/s-ra nő, míg a mozgóé 0,2 m/s-ra csökken. A két kocsi lendületének összege ütközés előtt és után azonos. Az impulzus megmaradásának törvénye csak ezt szabja meg, de ez a megmaradás más sebesség párok mellett is lehetséges lenne. Mi azonban tudjuk, és a mérésben tapasztaljuk is, hogy azonos feltételek mellett ugyanazok a sebességek alakulnak ki. Az impulzus megmaradás törvénye számtalan sebesség kombinációt megengedne, de minden esetben csak egy valósul meg. Következésképpen kell lennie még egy törvénynek, mely az impulzus megmaradás mellett beállítja, hogy a végtelen sok variáció közül melyik valósuljon meg. Az energia megmaradás az a törvény, mely az ütközések utáni sebességeket beállítja. A kocsik mozgását vizsgálva, kimérhetjük, hogy a mozgási energia:

állandó, hasonlóan az impulzus megmaradáshoz. A méréseket legjobb a diákok tanulókísérletek során végzik, de ha erre idő vagy eszköz hiányában nincsen lehetőség a tanár is elvégezheti a gyerekek előtt.

            Az iménti bevezetés legnagyobb hibája az, hogy a tankönyvek az utolsó lépésnél az energia megmaradást nem az impulzushoz megmaradáshoz hasonlóan vezetik be, hanem felteszik, hogy a kocsik egymás mozgásállapotát megváltoztatják. Munkát végeznek egymáson, és erről a munkavégzésről bizonyítják be, hogy megmarad. Dolgozatomban már többször kifejtettem, hogy a munkavégző képesség nem marad meg, ezért nem szabad az energia megmaradáshoz kapcsolni. Az energiát a munkavégző képességtől függetlenül kell bevezetni, hogy a diákok ne keverjék össze az exergiával. A problémát azonban ez a bevezetés sem oldja meg teljesen, mert a diákok fejében még ott él a hétköznapi energia fogalom, és nem tudják, összeegyeztetni a megmaradó energiával. Valódi megoldást csak az szolgálhat, ha az energia mellett a diákoknak az exergiát is megtanítjuk. A mechanikán keresztül ez azonban nehézkesnek tűnik, ezért most vizsgáljuk meg a másik lehetőséget, hogy az energiát a mechanika előtt vezetjük be.

Az energia termodinamikában való bevezetése:

            A középiskolai tankönyvek között találni olyanokat is melyekben a termodinamikát a mechanika előtt tárgyalják. Az energia fogalom szempontjából mindenképpen kedvezőbb a termodinamikát előbb tanítani. Az energia az egész fizikát végigkísérő mennyiség, ezért kulcskérdés, hogy a gyerekek kellőképpen megértsék a fogalmat. Ennek hiányában nem érthetik meg a fizikát, ezért nem szabad az időt és fáradtságot megspórolni az energia bevezetésétől. Azért is érdemes a termodinamikát először bevezetni a középiskolában, mert a termodinamika törvényei az egész fizika egyetemes törvényei. A gyerekekben érdemes tudatosítani, hogy a természet egészére érvényes törvényeket hallanak, ez elengedhetetlen a természettudományos világkép kialakításához. Utóbbi pedig általános követelmény a fizikától. A természettudományos látásmód kialakítását a termodinamika mechanika előtti tárgyalása jobban szolgálja, de felmerül a kérdés oktatásszervezési és didaktikai szempontból nem kedvezőbb-e a mechanika előre vétele?

A fizika oktatás egyik legnagyobb problémája, hogy a tananyag átadásához szükséges matematikai apparátus még nem áll rendelkezésre. Az új kerettanterv szerint a fizikát csak 9-11-ik osztályban tanítják. 9-edik osztályban a gyerekek még nem ismerik a másodfokú egyenletet, a szögfüggvényeket. A mechanikának mindegyikre szüksége van, de kidolgoztak olyan módszereket, melyekkel ezeket a hiányosságokat ki lehet küszöbölni, illetve a feladatokat úgy alakítják, hogy ezekre ne legyen szükség. A termodinamikát hagyományosan testek hő tágulásával kezdik el. Az ilyen jellegű feladatoknál szerencsés, ha a gyerekek már rendelkeznek mechanikai ismeretekkel. A nyomás fogalmát lehetetlen az erő fogalma nélkül bevezetni. Utóbbit azonban a mechanikában érdemes megtenni. A termodinamika hagyományos bevezetése a testek hő tágulásával kezdődik, és a gáztörvényekkel folytatódik. Ezeket nem lehet a nyomás fogalma nélkül értelmezni. A másik probléma a termodinamika statisztikus értelmezésével van. A nyomás, hőmérséklet mechanikai ismeretek nélkül értelmezhetetlen statisztikus módon. Ezen fogalmak statisztikus magyarázata azonban elengedhetetlen a természettudományos világgép kialakításához. A mechanika alkalmasabb a fizika világkép és gondolkodásmód kialakítására. A termodinamika egy felől triviális hétköznapi tapasztalatokat közöl (pl: a kalapács magától nem emelkedik fel az asztalról) , másfelől absztrakt, elvont ( pl: entrópia).

Mindent összevetve érdemes a diákokat először fenomenológikus termodinamikára tanítani, majd mechanikára és ezt követően statisztikus fizikára. Mielőtt azonban ezt az utat részletesen kifejteném, röviden tekintsük át, miként vezetik be, azok a tankönyvek az energiát melyek a termodinamikát helyezik előre.

Az ilyen jellegű tankönyvek egy része hétköznapi példák segítségével vezeti be az energiát. Légkalapács, dugattyú, vízi erőmű, energiájáról írnak. Sajnos az energia ilyen jellegű bevezetése még több veszély hordoz. Az eddigiek alapján jól látható, hogy amikor az iménti példák energiájáról beszélünk, akkor valójában az exergiát értjük alatta. A gyerekek itt az exergiát tanulják meg, és nem az energiát. Mindannyian tisztában vagyunk azzal, hogy az erőművek exergiája (hétköznapi szóhasználattal energia), megmaradna, ugyan ez igaz a dugattyúra, légkalapácsra stb. Erről az exergiáról senki sem gondolja, hogy megmaradna hiszen tudjuk, hogy a légkalapács nem működik örökké és az erőművet is táplálni kell. Azaz olyan energia képet közvetítenek ezek a könyvek, melyek nem összegeztethetőek az első főtétellel. Ezeket a könyveket ritkán használják a fizikaoktatásban, de a fizikát megelőző környezetismeret tantárgy, ha beszél energiáról, hasonlóan teszi az említett könyvekhez. Sajnos a gyerekek a környezettan órán olyan energiát tanulnak, mely nem felel meg a fizikainak. Más tantárgyakkal is hasonló a helyzet, a gyerekek gyakorlatilag az exergiát tanulják energiaként. A környezetismeret különösen problémás, hiszen a későbbi fizika erre a tantárgyra épít.

A másik lehetőség, hogy a termodinamikát statisztikus módon igyekszünk bevezetni. Ez az út is nehezen járható, egyfelől a kilencedikes gyerekek valószínűség számítási ismeretei meglehetősen csekélyek, és a természeti törvényeket, mint valószínűségi törvényeket mutatja be, a természettudományos világkép kialakításához ez meglehetősen problémás, hiszen a fizika törvényei, különösen a fenomenológikus termodinamika nem statisztikus törvényekkel operál. Az ilyen jellegű bevezetés érdekes kísérlet volt, de mára mellőzték az iskolákból, mivel a hagyományos módszer hatékonyabbnak bizonyult. Ez a merőben új megközelítés nem véletlenül született, hiszen mások is felismerték, hogy a termodinamikát a mechanika előtt kellett volna tanítani. A módja az iskolák tapasztalata alapján azonban kevesebb sikerrel járt.

 

Termodinamika tanítása

 

Fenomenológiai termodinamika tanítása:

            Bevezetőmben említettem, hogy a fizika iránti érdeklődés csökkenő tendenciát mutat. A probléma nyilván több okra vezethető vissza, de meggyőződésem, hogy köztük az egyik az energia. Az energia szó alatt mást értenek a fizikaórán, mint biológián, földrajzon, vagy amit a hétköznapi energia szó alatt értünk. Ugyanakkor az energia hagyományosan és a köztudat szerint is a fizika témaköréhez tartozik. Nem lehet más megoldás, mint az, hogy a fizika valamiféle rendet tegyen a különböző energiafogalmak között. Egyedüli lehetséges mód az, ha az energia mellet bevezetjük az exergiát is. Didaktikai szabály, hogy lehetőség szerint a bevezetett fogalmakat minimalizálni kell, ezért nagyon helyesen a tanárok és tankönyvírók megpróbálják az új fogalmakat elkerülni. Dolgozatom főcélja, hogy a meggyőzzem olvasómat arról, hogy az exergiát be kell vezetni a középiskolában, hogy elkerüljük az energia fogalommal kapcsolatos zavaros értelmezéseket. Kétségtelen, hogy egy új fogalom bevezetése nehéz dolog, de az energia a fizika egyik legfontosabb fogalma, ezért kulcskérdés, hogy a gyerekek megértsék, és nem szabad időt, energiát spórolni, hogy érthető módon megtanítsuk. Az energia többféle jelentése miatt azonban elkerülhetetlen az exergia bevezetése ahhoz, hogy rendbe rakjuk a fizika és biológia, földrajzórákon tanított különböző energia fogalmakat.

Összefoglalva kijelenthetjük, hogy a középiskolában a gyerekek több energia fogalomról hallanak, mást jelent az energia földrajz vagy biológiaórán és mást a fizikaórán. Előbbi tantárgyak a hétköznapi energia fogalmát használják, míg a fizika egy teljesen más energiafogalommal dolgozik. Utóbbi megmaradó mennyiség és így az első főtételhez kapcsolódik, míg előbbi nem megmaradó mennyiség, és a második főtételhez kapcsolható. Különbséget kell tenni hétköznapi és fizikai energia között! A hétköznapi energiának az exergia, mint fizikai mennyiség feleltethető meg. Ez a mennyiség spontán folyamatok során midig csökken, értéke megadja, hogy a rendszerből elvileg mennyi munkát lehetne kinyerni. A fizikai energia ezzel szemben egy megmaradó mennyiség, melynek egyik rendszerből a másikba történő áramlása, jellemzi a fizikai folyamatot. A két fogalmat nem szabad összekeverni. Az energiát nagyon nehéz úgy megtanítani, hogy a gyerekekben energia és exergia két külön, jól elhatárolható fogalom legyen. A következőkben megpróbálok néhány lehetséges tanítási módot vázolni.

Az exergia és energia középiskolás bevezetése:                   

            A következőben nem egy részletes bevezetés mutatok be, melyet egy az egyben lehetne a fizikaórákon is tanítani – dolgozatom keretei közé ez nem fér bele – pusztán azt szeretném bemutatni, hogy az általános iskolás fizikaanyagra támaszkodva, be lehet vezetni az exergiát és az energiát is pusztán fenomenológiai úton. Célom nem egy konkrét órára átöltethető levezetés bemutatása, pusztán azt szeretném megmutatni, hogy az exergia egyszerű, fenomenológiai gondolatmenettel bevezethető a középiskolában. 

Az exergia bevezetése:

            A bevezetés hasonlóan történhet ahhoz, mint azt a dolgozatomban is megtettem az exergia kapcsán. Ugyanúgy ellehet mondani a vízeséses példát:

A gyerekek tudják, hogy a vízesés exergiával (az ö szóhasználatukban energiával) rendelkezik, vízimalommal vagy erőművel ez hasznosítható.  Magától érthető, hogy ez annál nagyobb, minél magasabb a vízesés. A gyerekeknek mutathatunk különbőzű méretű vízeséseket, és maguk dönthetik el, hogy melyikből lehet a legtöbb munkát kinyerni, nyilvánvaló, hogy a legmagasabbat és legnagyobb vízhozamút fogják választani.  A gyerekeknek ehhez nem kell ismerniük a helyzeti energiát, józanparaszti ésszel belátják, hogy a magasabb vízesésből több munka nyerhető. Első lépésként, a tanulókkal együtt, megállapíthatjuk, hogy a kinyerhető munka arányos a magassággal:

Egy lezúduló, szabadon eső test munkavégző képessége nyilvánvalóan függ a test tömegétől is. Ez szintén egy hétköznapi tapasztalat. Egy leejtett vasgolyó, sokkal nagyobb kárt tud okozni, mint egy ugyanakkora térfogatú, de kisebb tömegű szivacs vagy fagolyó. Különösen szembetűnő ez a különbség, ha ne adja Isten, de mondjuk egyik lábunkra egy szivacs, másikra egy vasgolyó esik. A példa szemlélteti, hogy a munkavégző képesség, ami rosszesetben a lábunkon történik, függ a tömegtől. A vízeséses példánál is látszik, hogy a lezúduló víz tömege, azaz mennyisége sem mindegy, mint a gyerekek ezt nyilvánvalóan tudják is. Ezek után a következőt írhatjuk :  

Végül a gyerekeknek elmondhatjuk, hogy a Föld felszínén ez az arányossági tényező az ún. gravitációs gyorsulás g mely közelítőleg  (az általános iskolából maga a g is ismert lehet, de a gyorsulás mértékegysége mindenképpen, így nem okozhat gondot a gyerekek számára.) Egy érdeklődő osztályban a gyerekeknek elmondhatjuk, hogy a gravitációs gyorsulás értéke, a Hold felszínén más, ezért tudnak olyan nagyra ugrálni  a Holdra lépő űrhajósok. (A gyerekek a tv-ben ilyen felvételeket biztosan láttak már.) A gravitációs gyorsulás tulajdonképpen az a mennyiség, amely az adott bolygó felszínéhez vonzza a testeket. Ezek után az elvi munkavégző képesség a következőképpen adódik:

A vízesés maximálisan ennyi munkát képes végezni. Ez az új mennyiség melyet [B]-vel jelölünk az exergia mértékegysége pedig [J]. Fontos megemlíteni, hogy egy rendszerből ennyi munkát valójában soha sem vagyunk képesek kinyerni. A folyamat során ennek jelentős része elvész, hogy ez az érték minél kisebb legyen a mérnökök újabb és újabb módszereket és eszközöket találnak ki, de a szászázalékot soha nem tudják elérni. Ezért az exergia mindig az elvileg kinyerhető munkát jelenti. Fontos, hogy kiemeljük, azonos tömeg esetén a víz exergiája csak a magasságtól függ.

            A példából látszik, hogy az exergia az egyensúlytól való távolságtól függ, egy rendszer minél messzebb van az egyensúlytól annál több munkát nyerhetünk ki belőle, azaz annál nagyobb exergiával rendelkezik. Ezt a megállapítást érdemes képletek segítségével is levezetni:

A vízesés tetején lévő víz legyen magas, az alján lévő pedig , az eredeti h:

az exergia ezek után:

Most nézzük meg az exergia és a rendszer energiájának hányadosát

 

Jól látható, hogy az exergia és az energia hányadosa, az egyensúlyi távolságtól függ! A gyerekek figyelmét okvetlenül fel kell hívni erre, ha az iménti levezetést nem is végezzük el, de azt mindenképpen ki kell hangsúlyozni, hogy az exergia elsősorban az egyensúlyi helyzettől függ. A termodinamika második főtételénél érdemes erre a képletre visszatérni, hiszen ez a Carnot körciklus hatásfoka, és el kell mondani, hogy ez a hányados nem véletlen hanem természettörvény, és mint látni fogjuk, értéke mindig így változik az egyensúllyal. Most nézzük a termodinamikához jobban illő példát:

            A belső energia bevezetése után, feltehetjük a kérdést, hogy mennyi exergiával rendelkezik, mondjuk egy tányér forró leves a konyhában. A leves hőmérséklete legyen , a konyháé . Ezek után kérdve kifejtő módszerrel érdemes tovább haladni, hogy a Szövegdoboz: Konyha



 
diákok a saját hétköznapi tapasztalatukra támaszkodva értsék meg az exergiát és az energiát. Első kérdésként valami hasonlót érdemes feltenni:

Mi fog történni a forró levessel?

A konyha hőmérsékletére hűl!

Mennyi a forró leves belsőenergiája?

  (c hőkapacitást jelöli)

A konyha hőmérsékletére hűlt leves belső energiája?

Mennyi energiát adott át a leves a konyhának, míg lehűlt?

A két belsőenergia különbségét!

A tanár vezetésével, érdemes kiszámítani a vízeséshez hasonlóan, hogy az energia és exergia hányadát:

A vízeséssel is kiszámolt eredményhez hasonlót kapunk, ugyanazokat érdemes itt is elmondani. Valamint kötni a gyerekek természetes tapasztalatához, minél forróbb a leves annál jobban képes felmelegíteni a szobát, azaz nagyobb exergiával rendelkezik, illetve messzebb van a konyha egyensúlyi környezetétől.  

Az energia bevezetése:

            Az energia bevezetése történhet az exergia előtt vagy után, illetve párhuzamosan is. Az imént mikor két különböző hőmérsékletű tartály exergiáját számoltuk ki, már felhasználtuk a belsőenergia fogalmát. Oktatatás szervezési szempontból ezt mindenképpen figyelembe kell venni. Az energia bevezetésénél is célszerű a kérdve kifejtő módszert alkalmazni, hiszen jóval hatékonyabb az oktatás, ha a gyerekek maguk fedezik fel a fogalmakat, törvényszerűségeket. Az exergiához hasonlóan itt is célszerű egyszerű hétköznapi példákból kiindulni, melyet a gyerekek ismernek, és naponta találkoznak vele.

            Először nézzünk egy súrlódó testet, egy fékező autót, egy csúszó pénzt, vagy egy smirglipapírt, melyet egy fadarabon húzkodunk (utóbbi egy egyszerű kísérlet melyet a gyerekek maguk is elvégezhetnek).

Érdemes megkérdezni mi történik a mozgással. Az igaz, hogy eltűnik, de emellett történik még valami más is. Vajon mi ez?

Az autóversenyt kedvelő fiúk nyilván tudják, hogy a kocsik kereke és fékei idővel felmelegszenek, vajon miért történik mindez? A diákok elvégezhetik az említett  Hol??? dörzspapíros kísérletet is, illetve hivatkozhatunk arra az egyszerű mindennapos tapasztalatra, hogy ha kezeinket összedörzsöljük, akkor azok felmelegednek. (Az iménti kísérlet nagyon egyszerű és minden gyerek ismeri, csak az a baj vele, hogy a hőérzetünk itt inkább a vérkeringés felfrissülése miatt nő meg, és nem a munkavégzés hatására.) Ezek a példák világossá teszik, hogy a mozgás nem tűnik el nyomtalanul hő keletkezik helyette.

Nézzünk egy másik példát: A villanylámpán potenciál(feszültség)különbség hatására elektromos áram folyik keresztül. Ez az áram, (feszültség) potenciálkülönbség eltűnik (a gyakorlatban ezt a potenciál(feszültség)különbséget fenntartjuk, hogy folyamatosan működjön a lámpa). Az áram eltűnik ??? Ez mit jelent? a lámpában, de valami történik vele?

Fény és hő keletkezik!

Az autóba töltött gyúlékony benzin az utazás során mivé alakul át?

Széndioxiddá, vízzé, hővé és mozgássá!

Azt tapasztaljuk, hogy minden folyamat, minden változás után, valamilyen mennyiség Inkább az állapotra jellemző mennyiség?? mozgás, hő, elektromos áram, stb. eltűnik vagy lecsökken, és egy másik mennyiség értéke megnő, esetleg az eredeti mennyiség átadódik.

 

Mintha anyagszerű lenne? Hőanyag?

 

 Mi a közös ezekben a dolgokban?

Feltevésünk az, hogy van egy fizikai mennyiség, mely minden folyamat során állandó marad. Minden fizikai jelenség, tartozik egy ún. energia érték. Van elektromos, mozgási, kémiai stb. energiaforma. Minden folyamat során ezek összege állandó. 

  Ez maga az energia megmaradás törvénye! Az energiáról, tudjuk, hogy minden folyamatban értéke állandó, és számunkra különböző megjelenési formái vannak, de nem tudjuk még, hogy az értéke mekkora.

Ezt előttünk mások már kimérték: A mozgásnál az   érték az ami a testnek  hőt ad át. Az elektromos energia: ; a helyzeti: Az energia ezen értékeit nem nehezen tudnák a középiskolában kimérni ezért definíciószerűen kell bevezetni. A hő és a mechanikai energia érdemes megemlíteni Mayer nevét. A diákoknak el lehet mondani, hogy először ő mutatta meg, hogy a két mennyiség megfeleltethető egymásnak, a mechanikai energia teljes egészében hővé alakul. A gyerekek figyelmét felkelti, ha elmondjuk, hogy az ötlete egy trópusi hajóúton született meg. Orvosként dolgozott és az emberi vér színéből következetett arra, hogy a mechanikai energia egyenértékű a hővel, mert a melegben világosabb az ember vére, kevesebb energiára van szükség a test melegének fenntartásához.

            A diákoknak el kell mondani, hogy az energia és az exergia nagyon hasonló mennyiségek, mértékegységük azonos, [J] és a képletek között is csak a figyelmes olvasó veszi észre a különbséget. Vigyázni kell, hogy a kettőt nehogy összekeverjük.

            Az energia kapcsán el kell mondani, hogy a fizikai energia nem azonos a hétköznapi energiával, vagy biológia és földrajzórán hallottal. Ezeknek egy más fizikai mennyiség az exergia feleltethető meg. Ezt mindenképpen külön ki kell hangsúlyozni.

Belsőenergia:

      A belsőenergia tanítása különösen problémás feladat, nehezen megfogható és értelmezhető fogalom. Érdemes az iménti gondolatmenetet folytatni. Azt megállapítottuk, hogy minden kölcsönhatás, változás során van egy mennyiség az energia, amely összértéke nem változik, csak átadódik. Ha nincsen semmilyen kölcsönhatás a dolgoknak akkor is van energiája. Ez az energia sokszor köthető valamihez, pl: a test mozog, potenciálisenergiával rendelkezik, stb. Ezektől az energiáktól tekintsünk most el. Testünk ne mozogjon, ne legyen elektromosan feltöltve stb. Minden energiaformától tekintünk el, csak magát a testet nézzük, azt tapasztaljuk, hogy hőmérséklete ekkor is van. Minden anyag hőmérsékletéhez tartozik egy ún. belsőenergia. Ha a test nyugalomban van, nem mozog, potenciálisenergiája nincsen stb., még akkor is van energiája, mely a hőmérséklettel arányos, ezt az energiát nevezzük belsőenergiának:

Látható, hogy a belső energia arányos a hőmérséklettel, a test tömegével, és egy az anyagra jellemző állandóval (c= fajhő).

 

Befejezés:

Összefoglalás:

            Dolgozatomban szerettem volna kedves olvasómat meggyőzni, hogy az energia szavunk több jelentéssel bír! Megmutattam, hogy a különböző jelentéseket, az energetizmus egy fogalomban egyesítette, és ezt a hibát sajnos el is terjesztette.

            Az energia kettős jelentése figyelhető meg Fehér Ipoly könyvében. Ez a fogalmi zavar megnehezíti, sokak számára érthetetlenné teszi az energiát. Szép irodalmi példa volt erre Móra Ferenc Az energia megmaradás című novellája, melyben jól megfigyelhettük, hogy az energia egy hétköznapi jelentéssel is bír, mely nem azonos a mindennapi energiával.

            Igyekeztem azt is bemutatni, hogy a hétköznapi energia megfeleltethető az exergiának, mint fizikai mennyiségnek. Ez egy jól definiált és mérhető fogalom. Az exergia segítségével, a hétköznapi energiát (legalább egy részét) sikerül formalizálni, fizikai mennyiséggel leírni. Az exergiáról beláttuk, hogy az energiától eltérően nem egy megmaradó mennyiség. Felhívtam a figyelmet arra az ostwaldi hibára, mely még ma is él. A hiba abban áll, hogy sokan az exergiát az energia részeként kezeli.

            Reményeim szerint bemutattam, hogy Ostwald hibáinak egy része, a mai tankönyvekben is megtalálható, ennek kapcsán néhány példát is felhoztam. Végül egy olyan módszereket mutattam be melyekkel véleményem szerint elkerülhetőek Ostwald hibái.

Zárszó:

            Dolgozatom megírásában két cél vezérelt. Először szerettem volna bemutatni, hogy az energia szavunk több jelentéssel bír, és felkutatni azt a filozófiát, mely a többféle jelentést létrehozta és elterjesztette. Az energetizmust azért tárgyaltam részletesen, hogy mindezt megmutassam. Valamint szerettem volna felhívni a figyelmet arra, hogy z ostwaldi energia kép, és világfelfogás él tovább a mi filozofikus energiafogalomban.  Másik célom az volt, hogy meggyőzzem tisztelt olvasómat arról, hogy Ostwald korunk fizikakönyveiben tovább él. Az energiát a gyerekek nehezen, vagy egyáltalán nem értik meg.

            Utóbbi célom remélem sikerrel járt, és ön tisztelt olvasom mikor dolgozatom végére ért, belátta, hogy az energiát nem könnyű bevezetni. Mi akik már helyesen értjük, elfelejtettük, hogy mi is a probléma vele, hiszen olyan egyértelmű és világos fogalom. Azok azonban akikben még él a hétköznap energia nehezen értik meg a megmaradó fizikai energiát. Ha kedves olvasómat mégsem sikerült volna meggyőznöm, arra kérem, hogy gondolkodjon el az olvasottakon, és kérdezze meg fizikát kevésbé értő ismerőseit, hogy vajon mit értenek energia alatt. A probléma mindenképpen létezik! Ezt bizonyítja a bevezetőben említett amerikai felmérés is.

Végül arra kérem, hogy nézze el nekem dolgozatom végen vázolt fenomenológiai energia és exergia bevezetés felszínességét. Célom nem a tananyagba egyből átültethető módszer vázolása volt, pusztán azt szerettem volna bemutatni, hogy lehetséges ezeket a fogalmakat hétköznapi tapasztalatokra támaszkodva, tisztán fenomenológiai úton bevezetni. Meggyőződésem, hogy egy hasonló jellegű bevezetés elkerüli az energiafogalmához kapcsolódó téves ostwaldi felfogásokat, és reményeim szerint érthetővé teszi az energiát. Elképzelhető, hogy a fenomenológiai bevezetés is hordoz hibákat, melyekre dolgozatomban nem figyeltem fel. Reményeim szerint azonban sikerült felhívnom a figyelmet arra, hogy az energia jelenlegi oktatása problémás. Ha mást nem is, de a figyelmet remélem felhívtam az energia tanítására, és remélem ennek eredményeképpen fizikaoktatásunk javulni fog, és a dolgozatom elején említett szomorú statisztikák valamelyes vidámabbra fordulnak majd. Bár tudom ehhez messze nem elegendő az energia tanítás újragondolása.         

           

 



[1] Marx György: Fizikatanítás és erkölcsi nevelés, Fizikai Szemle, 1998/8*********

[2] Papp Katalin: Ami a számszerű eredmények mügött van…, Fizikai Szemle, 2001/1

[3] Papp Zoltán, Pappné Patai Anikó: Mit tehetünk a fizika-attitűd javításáért?, Fizikai Szemle, 2000/7

[4] Nahalka István, A gyermektudomány elemei a fizikában, in: A fizikatanítás pedagógiája, szerk: Radnóti Katalin és Nehelka István, Nemzeti Tankönyvkiadó, Bp. 2002. 164.169. p. és Nahalka István, Radnóti Katalin, Wagner Éva: A fizika tanítása során előkerülő főbb témakörök feldolgozási lehetőségei, in: uo. 296-297. p. 

[5] Martinás Katalin: Miért nem értjük a termodinamikát?*****

[6] Uö. **********************************************

[7] Uö. uo.

[8]Jürgen Pieter: Új historizmus: posztmodern történetírás a narratológiaés a heterológia között, in: ********

[9] Martinás Katalin: ***********,  51-53. p.

[10] Uö: uo. 53. p.

[11] Lázsd: Ostwald, Wilhelm, Friedrich: Katalízisről, in:

[12] Az életrajzot a következő forrásokból állítottam össze:

- Magyar Nagylexikon, Magyar Nagylexikon Kiadó, Bp. 2001. XII. 284. p.

- Pogányi József: Ostwald in: Ostwald: Feltalálók felfedezők nagy emberek, Révai, hn. 1912.

- http://www.ibela.sulinet.hu/atomfizika/Ostwald.htm letöltés dátuma: 2006-02-28

- http://www.mezgazd-koszeg.sulinet.hu/diak/kemia/DATA/Tudosok/data/ostwald.html letöltés dátuma: 2006-02-22

 

[13] Ostwald itt eltér Comte tudománykoncepciójától, mert a történelmet nem tekinti tudománynak, míg Comte igen.

[14]  Wihlem Ostwald: Bevezetés a természetfilozófiába, Dick Manó Kiadása, Bp. 14-16. 20-32. p.

[15]  Wihlem Ostwald: A tudomány, Atheneum, Bp. 1921.

[16] Wihlem Ostwald: Bevezetés a természetfilozófiába, 32-37. p.

[17] Uö: uo. 37-40. p.

[18] Uö: uo. 51-53. p.

[19] Uö: uo. 56-62. p.

[20] Uö: uo. 67-72. p.

[21] Uö: uo. 103-107. p.

[22] Később látni fogjuk, hogy  nem csak a fizikai jelenségek, hanem minden egyéb is energia.

[23] A kinetikus elméletek az atomok, molekulák mozgásával értelmezte ezeket a fogalmakat úgy, hogy a mozgó atomokra, molekulákra Newton törvényeit alkalmazták.

[24] Uö: uo. 111-112. p.

[25] Uö: uo. 112. p.

[26] Uö: uo. 114. p.

[27] Uö: uo.  126-129. p.

[28] Uö: uo. 132-134. p.

[29] Uö: uo. 136-138. p.

[30] Uö: uo. 115-118. p.

[31] Uö: uo. 130. p.

[32] Uö: uo. 131-132. p.

[33]  Lexikon!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

[34] Jankovíts Miklós: W. Ostwald Természetbölcselete, Bp. 1932. 50. p.

[35] Uö: uo. 12. p.

[36]  Wihlem Ostwald: Bevezetés a természetfilozófiába 118-119. p

[37]  Wihlem Ostwald: Bevezetés a kémiába, Pantheon, Bp. 1924. 113. p.

[38]  Uö: uo. 113-114. p.

[39]  Jankovíts Miklós: im. 50-51. p.

[40] Madarász István: Ostvald Vilmos energetikai monizmusa. (külön lenyomat a Religio 1914-ik évfolyamából) Bp. 1914.  7-8. p.

[41] Lőrintz Jenő: Modern metafizikusok. in: Nyugat szerk: Ignotus, 1909/1. 28. p.

[42] Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete, Gondolat, Bp. 1978. 335-336. p.

[43] Wihlem Ostwald: Bevezetés a természetfilozófiába, 143-144. p.

[44] Dr. Madarász István: im. 13-14. p.

[45] Uö: uo. 14. p.

[46] Uö: uo. 14-15. p.

[47] Wihlem Ostwald: Bevezetés a természetfilozófiába 139-143 p.

[48] Uő: uo. 143-144. p.

[49] Ostwald egyik fő kutatási területe a katalizátorok volt, ezen a téren tett felfedezései miatt kapott Nobel-díjat.

[50] Dr. Madarász István: im. 16. p. 

[51] Wihlem Ostwald: Bevezetés a természetfilozófiába 143-148. p.

[52] Lőrintz Jenő: im. 28. p.

[53] Wihlem Ostwald: Bevezetés a természetfilozófiába  149-151. p.

[54] Dr. Madarász István: im. 23- 26. p.

[55] Wihlem Ostwald: Bevezetés a természetfilozófiába 152-157. p.

[56] Pogány József: im. 20. p.

[57] Jankovíts Miklós: im. 49-51. p.

[58] Dr. Pogány József: Ostwald Feltalálók felfedezők nagy emberek, Révai, hn. 1912. 20-21. p.

[59]  Tangl Ferenc: Élet és Halál, Természettudományi közlöny, 1915. 282-307. p.

[60] Simonyi Károly: A Fizika kultúrtörténete, 336. p.

[61] http://mek.oszk.hu/00300/00355/html/ABC05727/06206.htm letöltés dátuma: 2006-02-28

[62] Lázsd: Tangl Fernc: im.

[63] Jankovíts Miklós: im

[64] Dr. Madarász István: im.

[65] Lőrintz Jenő: im.

[66] S az entrópia, míg µ a kémiai potenciál.

[67] Hasonló probléma figyelhető meg*******.

[68] Wihlem Ostwald: Bevezetés a természetfilozófiába 132. p.

[69] Az exergia fogalmát dolgozatom XXXX fejezetében részletesen kifejtem.

[70] Sörös Pongrácz: A Pannonhalmi Főapátság története, Bp, 1916, VI. kötet

[71] Szily Kálmán: A mechanikai hő-elmélet. Egyenleteinek általános alakjáról, Akadémiai székfoglaló értekezés, Eggenberger Ferdinánd MTA Könyvtársulatánál, Pest, 1867.

[72] Fehér Ipoly: Kísérleti Természettan, Faranklin Társulat, Bp. 1878. 190-191. p.

[73] Uö: uo. 17. p.

[74] Uö: uo. 190. p.

[75] Uö: uo. 19. p.

[76] Móra Ferenc: Az energia megmaradás, Szegedi Napló, 1914.

[77] Martinás Katalin: Miért nem értjük a termodinamikát, 

[78] Fényes Imre: Termosztatika és termodinamika, Műszaki könyvkiadó, Bp. 1968. 285-286. p.

[79] Uö: uo. 285-286. p.

[80] Dr. Zsebik Albin: Hőtávszolgáltatás, in:*******, Bp. 2004. 11. p.

 

[81] Jürgen Pieter: Új historizmus: posztmodern történetírás a narratológiaés a heterológia között, in: ********

[82] Dr. Paál Tamás: Fizika (reál érdeklődésű középiskolások számára); Mechanika I, Nemzeti Tankönyvkiadó, Bp. 1996. 139-144. p.