בסדרת הפוסטים הקרובה, אעסוק בפרקים נבחרים מתוך ההיסטוריה המרתקת של התרמודינמיקה. בפוסט הראשון נפתח בשאלה הבסיסית: מהי טמפרטורה?
הינה שאלה בשבילכם, מהי טמפרטורה? אולי לחלקכם זו נשמעת כמו שאלה טריוויאלית – טמפרטורה זה מה שמראה המד חום, הטמפרטורה מודדת כמה חם או קר דבר כלשהו, לא? אבל מאיפה הגיע הרעיון? איך מכמתים את מידת החום? ולמה מעלות?
עוד לפני שהומצא המד חום, טמפרטורה הייתה תחושה סובייקטיבית, ובעיקר לא אמינה. אנשים חשבו שבארות מתחממות ביום קר ומתקררות ביום חם, או שבחורף האוויר חם יותר מקרח אבל כמובן שלא היה להם מושג שמדובר בתחושה פיזיולוגית בלבד שנובעת מהולכת חום. למען האמת, מקורה של המילה טמפרטורה כלל לא קשורה לחום או למזג האוויר. טמפרטורה מגיעה מהמילה הלטינית טמפררה שמשמעותה לערבב! אבל לערבב את מה?
הקשר בין טמפרטורה למידת החום התחיל עוד מהיפוקרטס, במאה 5 לפני הספירה. הרופא היווני האמין שקיים איזון בין נוזלי הגוף ואם האיזון מופר, כלומר אם הם לא מעורבבים כמו שצריך, צצות מחלות שיגרמו לגוף להתחמם או להתקרר מהרגיל. מאות שנים לאחר מכן, סביב המאה ה-2 לספירה, רופא יווני נוסף בשם קלאודיוס גלנוס פיתח את הרעיון של היפוקרטס ולקח אותו צעד קדימה – אם חוסר איזון בנוזלים גורם לחום הגוף להשתנות, אז למה לא להיפך? גלנוס טען שמזג האוויר בחוץ יכול להשפיע על תמהיל הנוזלים בגוף ואלו משפיעים על אופיו של האדם.
רעיון משונה: טמפרטורת האדם – ערבוב של מים רותחים עם קרח
גלנוס הניח שה״טמפרמנט״, כפי שכינה זאת בעצמו, תלוי במיקומו הגאוגרפי של האדם. אנשים שחיים באזורים קרים יהיו ברבריים ופראיים, אלו שמתגוררים באזורים חמים יהיו רפויים וענווים ואלו שחיים באזור ים התיכון, האיזור שממנו הוא מגיע, נחשבו לאנשים הנעלים. לטענת גלנוס, מזג האוויר המושלם הופך את אנשי מזרח התיכון לאנשים אינטלקטואליים ועם וכושר שיפוט טוב. כדי להמחיש את מידת החום הרצויה, הוא ערבב מים רותחים עם קרח, נתן להם להתאזן ואמר שזו מידת החום האופטימלית לאדם, או הטמפרטורה הניטרלית.
הרעיון המשונה הוזנח באירופה בתקופה החשוכה, אך רופאים מארצות ערב שמרו על הגחלת ואף הגדירו 4 דרגות של חום מעל המידה הניטרלית ו-4 דרגות של קור מתחתיה. במאה ה-16, עם סיום התקופה האפלה, הרעיון המשונה חזר לאירופה בזכות הרופא השוויצרי ג׳והנס הסלר, שניסה לכמת את מידת הטמפרמנט של בני האדם בהתאם לקו הרוחב שבו הוא חי. קווי הרוחב נמדדים במעלות, ולכן הטמפרטורה של בני האדם קושרה למעלה מסוימת. הסולם שחולק על ידי רופאים הערביים לתשע שנתות התאים מאוד לתפיסת עולמו של הסלר. על פי הסלר, מי חי באזור הים התיכון, סביב 40- 50 מעלות, חי בטמפרטורה ניטרלית. אלו שחיים באזור ה-90 מעלות, היו ברבריים ואלו בקרבת ה-0 מעלות, כלומר באזורים המדבריים או הטרופיים, היו אנשים רפויים. כמובן שזו שטות והוא טעה, הרי בממוצע, הטמפרטורה של אדם בריא לא משתנה כתלות במיקומו הגאוגרפי, אבל איך הם יכלו לדעת? הרי לא היה להם מד חום.
מי המציא את מד החום הראשון?
היסטוריונים של המדע חלוקים בדעותיהם לגבי מי המציא את מד החום ראשון, אבל דבר אחד בטוח, מי שבאופן גורף טען שהוא ממציאו הבלעדי היה גלילאו גליליי. גם בהתחלה, לא הייתה הסכמה כיצד לכייל את מד החום וחוסר הדיוק הקשה על מדענים להשוות בין הניסויים שהם ביצעו. הבלבול העמוק הגיע לנקודה שבה באמצע המאה ה-19 נספרו כ-18 יחידות מידה שונות לטמפרטורה. המפורסמת מבניהן הומצאה על ידי צלזיוס שהציע לקבע את 0 כטמפרטורה בה מים רותחים ו-100 מעלות כטמפרטורה בה מים קופאים. כן, לא התבלבלתי, הוא בחר את הסקאלה להיות הפוכה ממה שאנחנו מכירים כדי להימנע ממספרים שליליים אבל לאחר מותו הסקאלה התהפכה מחדש. השימוש בסקאלה כזו או אחרת נבע מטעמי אגו ושימש ככלי ניגוח פוליטי אבל בעקבות קונספט חדש שהתהווה, המאבק בקהילה המדעית הוכרע. באותה תקופה מדענים הראו שלחץ ונפח של גז קשורים לטמפרטורה שלו באופן הבא:
כאשר P מייצג את הלחץ, V את הנפח, N את מספר החלקיקים, kB את קבוע בולצמן ו-T את הטמפרטורה. משוואה זו ידועה בתור משוואת הגז האידאלי.
אם הטמפרטורה של הגז קטנה, אז גם הנפח יקטן בהתאם. אם כך, קיימת טמפרטורה בה הנפח שווה לאפס ולפי נוסחה זו, הטמפרטורה היא מינוס 273.15 מעלות צלזיוס. כמובן שאין דבר כזה נפח שלילי ולכן הטמפרטורה הזו נחשבה לטמפרטורה הנמוכה ביותר.
בהתחלה אנשים לא התרשמו מהרעיון, הרי גם הם ידעו שכאשר מקררים גז הוא הופך לנוזל או מוצק ואז הנוסחה הזו כבר לא תקפה. אבל במקביל, בצעדים קטנים ואיטיים, הקהילה המדעית החלה להשתכנע שהחומר עשוי ממולקולות ואטומים, ושטמפרטורה היא מידת הריצוד של אותם חלקיקים. אם הטמפרטורה מודדת את התנועה הממוצעת שלהם, היא יכולה להסביר את מקורה של הטמפרטורה המינימלית, המתרחשת כאשר החלקיקים לא זזים בכלל. הגילוי הוביל את וויליאם תומפסון, שנודע בהמשך כלורד קלווין להציע את טמפרטורה זו כטמפרטורת האפס המוחלט ולכייל את הסולם של צלזיוס בהתאם.
העובדה שטמפרטורה נובעת מהפיזיקה החלקיקית, חשפה את המורכבויות בהגדרתה, אבל עבור אלו ששיחקו לראשונה עם המד חום, זה פחות עניין. הם ידעו מה שהם ידעו וזה הספיק להם. מבחינתם, טמפרטורה זה מה שהמד חום הראה כשהם הכניסו אותו לתוך הגיגית או הניחו מתחת לבית שחי של בן אדם. הם לא היו רגישים לדקויות המדעיות של המונח טמפרטורה, ככל הנראה הם חשבו שאלו טריוויאליות.
מי אמר שהמדידה שהמד חום הראה, זהה לטמפרטורה של הגוף הנמדד? אבל העובדה שטמפרטורה הוא שדה אחיד ורציף הופך אותו למדיד ואמין. אלו שעוסקים באקסיומות פיזיקאליות קוראים לחוק זה חוק האפס בתרמודינאמיקה, משום שהוא נקבע אחרי שהחוק הראשון והשני הוגדרו לפניו.
חוקים אלו התפתחו בעקבות גילויים מרתקים ושבירת קונספציות מדעיות רבות, אלו אספר בפוסט הבא.
המידע ברובו נלקח מספרו של Ingo Muller:
A History of Thermodynamics
יש לכם שאלה? רוצים שאכתוב על נושא שמעניין אתכם? פנו אליי לכתובת המייל: [email protected]
עוד בנושא באתר הידען:
