A
termodinamika XX. század elõtti magyar története
Martinás Katalin, ELTE
A termodinamika
magyarországi története még a magyar fizikatörténeti irodalomban is
feldolgozatlan terület. Arra törekedtünk, hogy nemcsak a mostani paradigmából
visszatekintve jelentõs egyéni teljesitményeket vegyük figyelme, hanem a
termodinamika fejlõdésének folyamatát is bemutassuk, a zsákutcákkal
együtt.
Figyelemre érdemes,
hogy az I. és a II. fõtétel a magyar fizikusok munkáiban nagyon hamar
megjelent. A kémiai alkalmazások (Than) világszinvonalúak. A statisztikus
fizika azonban késéssel jelent meg, ennek magyarázata lehet, hogy az önálló
magyar iskolának tekinthetõ Szily - Farkas - Réthy munkássága a
Clausiusi programot probálta megvalósítani, és csak Boltzmann korai munkáihoz
kapcsolódtak. A statisztikus fizika sikere ezt a közelitést hamar háttérbe
szoritotta.
Az alábbiakban közölt
ismertetõ nem teljes, kérem a tisztelt olvasót, hogy ha termodinamika
témájú dolgozattal találkozik, ismertesse velünk, hogy egy teljesebb kép állhasson
rendelkezésünkre.
A. A korai termodinamikai gondolatok megjelenése:
Pázmány Péter - Az
"Isteni igazságra vezetõ kalauz" címû mûve "A
levegõég és vízek csudái" fejezetében a következõket írta:
"Mikor a teli
fazék forró víz párája megütközik a födõben, és apró cseppekké
sürûsödik; mikor rózsavízet vésznek, vagy égetett bort csinálnak:
a nedvességnek gõzölgõ párája felemeltetvén a melegségtõl,
megütközik, meghidegedik, megsûrûdik, és azután cseppenként
alászivárkozik. Hogy esõk, ezen formán, cseppenként esnének, Isten a
levegõégnek középsõ részét hidegen teremtette;
...Ebben Istennek két csudáját látom: Elsõt, hogy noha a naphoz
közelebb vagyon a levegõégnek középsõ, hogysem alsó része, mégis
hidegebb a középsõ része. Másikat, hogy nem szakad egyszersmind alá az
esõ, hanem cseppenként esik."
A Clausius elötti
preklasszikus termodinamika fogalomrendszerének nagyszerû összefoglalását
kaphatjuk meg Jedlik Ányos "Hõtan"-ából, annak
ellenére, hogy az anyag nem befejezett. A kéziratot Liszi János rendezte sajtó
alá, és látta el magyarázó jegyzetekkel.
Jedlik a hõt
nem tartja anyagnak, hanem az éter rezgésének:
"A'természettan
jelen állapotában azonban a'meleg anyagok közé nem soroltatik, hanemaz egész
világon elterjedett lebegény (:aether) valamivel
nagyobb hullámu rezgésének állítatik, mint a'minõ a'világosság
származására szükséges." (p.8)
A könyv tartalmazza a
hõmérõket, a hõkapacitás mérését, a hõterjedést, a
halmazállapot változásokat, és a meleg forrásait, ezek:
1. "Földgömbünk
maga egy meleg forrás gyanánt tekinthetõ ... a hévmérsék minden 100 lábbal nagyobb mélységben 1 °C-al
növekszik" (p.124),
2. "A föld
színén uralkodó hévmérséknek fõ kutforrása a nap" (p. 126)
3. "..hévforrások ... mellyek által
ámbár szûkebb határok között, jelentékeny hõség
eszközölhetõ...surlódás, Anyagsûrítés, Nedvesítés
és Elnyeletés, Vegyesûlés, Életerõ mûködése,
és Villámfolyam." (p.130)
Liszi véleménye
szerint a könyv kémiai termodinamika, kivéve annak kémiai reakciókkal
foglalkozó részét.
B. A termodinamika
fõtételeinek magyarországi elterjedése
A termodinamika
kiegyezés utáni fogadtatását, szerepét két idézetettel illusztráljuk:
"Századot,
melyben a tudomány oly általános, oly mindenre kiterjedõ befolyást gyakorolt volna, mint a jelenben, nem találunk a
világtörténetben"
" A legújabb
keletû nagy felfedezések: az erély megmaradásának elve, a világ erélyének
folytonos disszipációja, az égi physika analógiái, kapcsolatban a
színkép-elemzéssel, Darwin tana, földünk õstörténelmének tanúságai stb. nem
azért keltik föl az általános figyelmet, mintha belõlük közvetlenül,
vagy csak közvetve is anyagi hasznot lehetne reményleni, hanem..a tudomány ismét egy új vezérfonálra akadt, ...amely ha
közvagyonná válik... új korszakot fog nyítni az
emberiség történelmében."
A magyar
termodinamikai élet nagyon gyorsan magábaszívta az új eredményeket:
Az I. fõtétel megjelenése
Matematikai
értekezések, Pest, Eggenbergerger Ferdinánd M. Tud.Akad.
könyvárus, 1867 p.1-20.
A székfoglaló
elõadás témája: "A test állapota hõtani tekintetben,
meghatározottnak tartandó, ha a p,t,v
állapotjelzõk közül bármelyik kettõ ismeretes. A harmadik,
valamint maga a test állapota is, egyjelentésû függvénye a független
változóul választott két állapot jelzõnek. Mennyivel általánosabb az x,y választás, mint a konkretizálás."
Az írás a hõ
fogalom fejlõdésének történeti áttekintését adja Arisztotelésztõl
Joule-ig. A hõfogalom XIX. századi fejlõdésérõl a
következõket írta:
"Lássunk
néhány ily mély gondolkodású fõt, mintegy bevezetésül azon hatalmas mozgáshoz,
mely 1848-ban a politicai eszmék társaságában, mint ezek édes testvére indult
meg az irodalomban, s azóta ernyedetlen munkássággal
érleltetik." (p.1)
A hõ-munka
kapcsolatról azt írja, hogy Davy, Rumford és Joule kísérletei alapján:
".. kiderült végre, hogy
egyenlõ munkának -fordítassék ez gázok összenyomására vagy villamfolyam
elõállítására -mindig egyenlõ hõmennyiség felel
meg...Egyhõ feldolgoztatván annyi munkát hoz létre, a mennyi épen
szükséges az egyhõ kifejtésére. E szerint a meleg egy sajátos mozgás
eleven ereje" (p.6)
Az I. fõtétel
ismertetése
II. fõtétel megjelenése
A II. fõtétel a
XIX. századi magyar kutatásokban három ember nevéhez köthetõ: Szily
Kálmánhoz, Farkas Gyulához és Réthy Mórhoz.
Szily
Kálmán
Élete:
Szily Clausiusnál
dolgozott. Dolgozatai megmutatják, hogy ismerte, értette a termodinamika
fõtételeit.
Ez egy olyan
népszerûsitõ ismertetése a II. fõtételnek, ami ma is
megállja a helyét.
A III. fõtétel:
"..274 C fok - ily alacsony hõmérsék
azonban nem létezhetik sehol; mert ha valamely test mérséklete csak egy
ezredrész fokklal állna alább -274 foknál, úgy melegségi erélyt teremteni
lehetne a semmibõl. Ez pedig törvényszegés
lenne". p. 386
Lényegében Szily-t
követi, emlités nélkül.
Farkas
Gyula
Élete:
1947. március 28-án
született a Fejér megyei Sárosdon, régi, de már elszegényedett nemesi
családból. Apja uradalmi intézõ volt Pusztasárosdon. A család
késõbb Gyõrbe költözött. Farkas Gyula a középiskolai tanulmányait
a gyõri bencés gimnáziumban végezte. Zongorázni tanult és zeneelméleti
cikkei jelentek meg (szerepel a Zenei lexikonban).
1866-ban a pesti
tudományegyetem jogi karára íratkozott be, de felvételizett a felsõbb
zongoraiskolába is. A társait tehetségesebbnek találta magánál, ezért nem
folytatta zongoratanulmányait, habár koncerteket továbbra is adott Tolnán,
Székesfehérvárott és Nizzában is. Apja tönkre ment, ezért megszakította
tanulmányait. Házitanító lett. Elõszõr vidéken, majd Pesten.
Jedlik Ányos hatására érdeklõdése a fizika felé fordul, átiratkozik a
természettan-vegytan szakra.
1870-74 a
székesfehérvári reáltanoda tanára. Szaktárgyai mellett zeneoktatást is
szervezett. Fizika könyvet írt a népiskolák számára. 74-ben hetilapot alapított
Székesfehérvári Figyelõ címmel. A lap kritikus szelleme miatt távozni
kényszerült.
1874-80 házitanító
gróf Batthány Geiza gyermekei mellett. A gróf fizika szertárat rendezett be, és
a családdal utazhatott Olaszországba, Franciaországba. Ekkor került kapcsolatba
Hermite, Villarceau és más matematikusokkal, akiknek hatására
érdeklõdése a matematika felé fordult.
1881-87 Batthány gróf támogatásával a matematikai kutatásaival foglalkozik.
1881-ban matematikából doktorált, majd magántanári képesítést nyer komplex
függvénytanból. A pesti egyetem matematikát, függvénytant tanít.
1887 a kolozsvári
egyetem elmélete fizikai tanszék vezetõje lett.Hétszer
volt az egyetem dékánja és egyszer a rektora. Az õ
révén került Kolozsvárra Fejér Lipót, Riesz Frigyes és Haar Alfréd.
Ortvay Gyula a kolozsvári egyetemen Tangl Károly tanársegéde volt a Kisérleti
Fizika tanszéken, de nem szerette a kisérleteket. Farkas Gyulánál tartott
elméleti kurzusokat, és Farkas Gyula nyugdíjaztatása után
õ vette át a tanszék vezetését.
Közéleti tevékenysége:
Az Erdélyi Múzeumegyletben a természettudományi szakosztály elnöke. Résztvett a
"Mathematikai és Physikai Társulat" megalapításában. Padovában
1892-ben tartott Galilei ünnepségeken az egyetem küldötte. Diszdoktorrá
avatták.
A Bolyai életmû
népszersítûésében is kiemelkedõ érdemei vannak. Az xm=a+x egyenlet
Bolyai Farkas által adott iterációs megoldását õ
nevezte el Bolyai-algoritmusnak. Farkas Gyula mondta az ünnepi beszédet
a Bolyai János szülõházán elhelyezett emléktábla avatásán, és õ képviselte az Akadémiát a Bolyai síremlék
avatásán.
1898-ban az MTA
levelezõ, majd 1914-ben rendes tagja. 1915-ben nyugdíjaztatta magát és Budapestre
költözött. 1930 december 27-én halt meg
Pestszentlõrincen.
Farkas Gyulát
tanárának tekintette Ortvay Rudolf, Gyulai Zoltán, Károly J. Irén, Kacsóh
Pongrác. Elõadás jegyzeteit ma is élvezettel lehet forgatni.
(Litografálva adta ki õket.) Elõadásai az egész elméleti fizikára
kiterjednek. Fogalmazásuk rendkívül precíz és tömör. Nem jelentenek
könnyû olvasmányt egy kezdõ számára.
"A mechanika
alaptanai" és az "Analytikus mechanika" c. elõadásaiban a
pont és merev rendszerek mechanikáját tárgyalja a Fourier-elv alapján. Az
"Erõtan"-a potenciál elméletét és a stacionárius elektromos
áramok tanát tartalmazza. "Az energia átalakulása" a termodinamikát,
míg az "Energia terjedése" continuum mechanikát igen általános feltevésekkel,
a Fourier-féle elv kiegészítve a termodinamika fundamentális
egyenlõtlenségével. Ez a kötet tárgyalja az elektrodinamikát és a relativitás elméletet is.
1887-93 a fizikába
való behatolás idõszaka. Aktuális fizikai és kémiai problémákkal foglalkozik.
A fenomenologikus irányzat következetes képviselõje. A legjelentékenyebb
termodinamika dolgozata a Mathematikai és Physikai Lapokban
1895-ben magyarul és németül (Naturwissenschaftliche Berichte aus Ungarn)
jelent meg,
A dolgozat célja a
termodinamika II. fõtételének olyan levezetését megadni, amely mentes a speciális feltételezésektõl, pl. a
körfolyamatoktól. Farkas a következõ alaptételt állította fel:
"Adiabatikusan,
azaz pusztán mechanikai mûveletekkel egy test vagy testrendszer sem
juttatható oly állapotba, amelybe puszta hõközléssel, azaz hõnek
be- vagy kivezetése folytán a hõnek megváltoztatásával juthat."
Kimutatta, hogyha ez
nem teljesül akkor ellentmondásba jutunk a
Clausius-féle posztulátummal, amely szerint magasabb hõmérsékletõ
helyre alacsonyabb hõmérsékletû helyrõl nem megy át
hõ spontán folyamatban.
Felhívta a figyelmet
arra, hogy a
Q = dE + Ada + Bdb +. . .
elemi hõközlést
meghatározó Pfaff-féle differenciál kifejezésnek nincs mindig integráló
osztója. Megmutatta, hogy alaptétele teljesülése biztosítja az integráló osztó
létezését.
W. Voigt az integráló
osztó létezését magától értetõdõnek vette. Ez a dolgozat
érdeklõdést keltett. W. Voigt a könyvének új kiadásában hivatkozott
Farkas cikkére, de csak azt emelte ki, hogy a Pfaff-formának 3 vagy több
változós esetben nincs mindig integráló osztója. Maga Farkas Gyula így írt
errõl:
"Észrevehetõen
emelkedett itthon tudományos hitelem, midõn 1896-ban megjelent az akkor
nagyhírû göttingeni professor Woldemár VOIGT Mathematische Physik-jének
második kötete."
Farkas Gyula ismerte
Gibbs munkáit, így az akadémiai székfoglalójának témája az egyensúlyi állapot
stabilitása volt.
Ismerte és használta
az entrópiaprodukció fogalmát. (Nem ezzel a névvel!). Megmutatta, hogy a
kvázisztatikus közelítés valóban használható elvileg, mivel az entrópia növekedés
a folyamat sebességében kvadratikus, így lassú folyamatokban
tetszõlegesen kicsinnyé tehetõ.
Hivatkozások Farkas
Gyulára:
Benedek András: Farkas
Gyula (diplomamunka), Budapest, 1986.
Császár Ákos: Magyar
származású matematikusok hozzájárulása a matematika fejlodéséhez, in.: Ágoston Mihály (szerk.): Válogatás a Magyarok a világ
természettudományos és mûszaki haladásában címû konferencia
elõadásaiból, Bp., 1987, 48.
Fényes Imre:
Megjegyzések és kiegészítések a mechanika elveinek Farkas Gyula-féle
tárgyalásmódjához, Fizikai Szemle, 4.
102. 1954.
Filep László: Farkas
Gyula élete és munkássága, Matematikai Lapok, 1980, p. 231.
GrattanGuiness, I.
(ed.): Companion Encyclopediae of the Mathemathical Sciences London, 1994, II.
829.
Horváth József:
Termodinamika, 1961. Tankönyvkiadó, Budapest.
Kuhn, H.W., Tucker, A.W., Nonlinear Programming, Proc. of Second Berkeley Symposium
onmathematical Statistics and Probability, (szerk. J. Neumann), Univ. of
California Press, Berkley, 1951.magyarul: William J.
Baumol, Közgazdaságtan és operációanalizis, 182-185. oldal, KJK, Budapest,
1968.
Martinás Katalin:
Farkas Gyula (1847-1930), Fizikai Szemle, 1992/8, 299.
Ortvay Rudolf l. t. gyászbeszéde Farkas Gyula r. t. ravatalánál 1930. december 29-én, Akad. Ért., 1931, 131.
Ortvay Rudolf: Farkas
Gyula emlékezete, A MTA elhunyt tagjai fölött tartott
emlékbeszédek, XXI. kötet, 15. sz. 1933.
Prékopa András: Az
optimalizáláselmélet kialakulásának történetérõl, Alkalmazott
Matematikai Lapok, 1978/4.
Radnai Gyula: Az
Eötvös Korszak. Fizikai Szemle, 30.
10.
1990.
Woldemar Voigt:
Mathematische Physik, I. Kötet, 1896.
Kémiai és alkalmazott termodinamika
Than
Károly
1834-1908
Természettudományi
közlöny, XI. 468. füzet, 1908, 441-452. Részletes elemzás T.K.
tudományos és tudományszervezõ
tevékenységérõl.
Serdülõ korában
résztvett a szabadságharcban. A bécsi egyetemen gyógyszerészetet tanult
(Redtenbacher-nál), a doktori oklevél megszerzése után állami ösztöndíjjal
Heidelbergbe ment (Bunsen, Kirchof és Helmholtz)
1860-ban a pesti
egyetemen a magyar nyelv visszanyerte jogait, és ekkor meghivták a Kémiai
tanszeék helyetteséül.
Az atomos szerkezetet
igazaló kisérletek elõadása, és bemutatása.
A párolgásos
hûtés elvei, és gyakorlati megvalósitásuk (Carré és Kopf féle jéggépek..
Az a könyv Than Károly
elõadását tartalmazza amelyet a
"Markusoszky-féle egyetemi jubiláris elõadások" keretében
1903-ban tartott.
Ez egy mai mércével
mérve is XX. századi termodinamika. A könyv elsõ fejezete a gázok
törvényei, az elektrolizis törvényei és a tömeghatás törvénye - az általános
kémiai kisérleti eredményeit, fogalmait ismerteti. Az utolsó két fejezet az
energia megmaradásának törvénye és az energia átalakulásának törvénye címet
viseli. Itt az energetika alapján vezeti le a kémiai törvényeket.
A kinetikus
gázelméletet Clausius modellje alapján használja.
A kémiai folyamatokat
a Helmholtz-féle szabadenergiával, és szerepel benne a Gibbs-féle fázis
szabály.
Thán Károly
ismeretinek modernségérét illusztrálja a befejezés. Itt a rádioaktivitásról
beszél. A rádioaktiv átalakulásokból.."nézetük
szerint az következnék, hogy az, mit eddig anyagnak tartottunk, nem más, mint
óriási mértékben kondenzált energia". p 208.
Olszewski He cseppfolyósitása