ISRN LUTMDN/TMHP-08/3032-SE ISSN 0282-1990 Institutionen f¨or Energivetenskaper TERMODYNAMIK en kort historik Christoffer Norberg Joules skovelanordning fr˚an 1845/7 f¨or att best¨amma den mekaniska v¨armeekvivalenten. Phil. Trans. Roy. Soc. 140 (1850). januari 2008 F¨orord Denna skrift g¨or inga anspr˚ak p˚aatt vara komplett eller utt¨ommande. D¨aremot har jag i m¨ojligaste m˚an f¨ors¨okt vara korrekt n¨ar det g¨aller ˚artal, biografiska data och prioritet av originalarbeten. F¨or en mer utt¨ommande beskrivning (fram till 1800-talets slut) re- kommenderas From Watt to Clausius av Donald Cardwell ([5]). Kommentarer och f¨orslag till korrigeringar emottages tacksamt. Portr¨att ¨ar huvudsakligen h¨amtade fr˚an Internet samt [2, 6, 25, 28, 20, 27], biografiska data v¨asentligen ur [1, 28, 7, 12, 21, 26, 30] och originalreferenser mestadels ur bibliotekss¨okningar, tillg¨angliga tidskrifter inom LU-n¨atet samt [23, 30]. 8 januari 20081 Christoffer Norberg Tel. 046-2228606 Christoff[email protected] Levnads˚ar f¨or 35 pionj¨arer inom termodynamikens historiska utveckling. Tjocka linjer motsvarar ˚aldern 20–65 ˚ar. “But although, as a matter of history, statistical mechanics owes its origin to investigations in thermodynamics, it seems eminently worthy of an independent development, both on account of the elegance and simplicity of its principles, and because it yields new results and places old truths in a new light in departments quite outside of thermodynamics.” Willard Gibbs 1Sedan tryckningen fr˚an januari 2008 har det gjorts ett par uppdateringar av biografiska data, liksom sm¨arre justeringar och till¨agg i texten samt i den bibliografiska delen; 15 december 2013. Inneh˚all F¨orord 1 1 Den vetenskapliga revolutionen 3 2 Tryck 4 3 Termometrar 5 4 Angmaskinen˚ 6 5 V¨arme 9 6 Samband mellan tryck, temperatur och volym 11 7 Sadi Carnot 13 8 F¨orsta huvudsatsen — energiprincipen 15 9 Klassisk termodynamik 17 10 Kolvmotorer 21 11 Kinetisk gasteori 22 12 Kyl- och kryoteknik 23 13 1900–tal 25 14 Slutord 27 15 Biografiska data 28 16 Originalarbeten 37 Referenser 54 Personregister 56 2 1 Den vetenskapliga revolutionen Ordet termodynamik kommer av grekiskans termo´s (varm) och dy´namis (kraftverkan, f¨orm˚aga till kraft). Denna ben¨amning, inf¨ord av Lord Kelvin 1849 [25] ¨ar naturlig d˚a(klas- sisk) termodynamik i m˚angt och mycket handlar om processer f¨or att via v¨armeutbyte ˚astadkomma kraftverkan eller arbete.2 F¨orhistorien till termodynamik som vetenskap handlar till stora delar om m¨anniskans stora intresse f¨or vatten, eld, v¨ader och vind, dess str¨avan till att konstruera och an- v¨anda maskiner, samt att kunna f¨orst˚aoch p˚averka ¨amnens egenskaper. N˚agon h˚allbar teoribildning inom termodynamik skedde dock inte f¨orr¨an p˚a1600-talet. Under senare delen av 1500-talet och med utg˚angspunkt i Italien skedde en dramatisk omsv¨angning fr˚an den av kyrkan s˚auppbackade traditionella naturl¨aran enligt Aristoteles till ett t¨ankande som var l˚angt mer praktiskt inriktat; den s.k. modernismen. Den engelske naturfilosofen Francis Bacon var en drivande kraft i denna utveckling. I hans kanske mest k¨anda verk Novum Organum Scientiarum (Vetenskapens nya verktyg) fr˚an 1620 h¨avdas t.ex. att kunskap om naturens lagar m˚aste grundas p˚afaktiska iakttagelser som kan kon- trolleras genom experiment (experiment och induktion). Avsikten med denna k¨annedom om naturens lagar var enligt Bacon att kunna befr¨amja den tekniska utvecklingen. Francis Bacon Ren´eDescartes 1561–1626 1596–1650 En annan mycket inflytelserik t¨ankare och filosof var fransmannen Ren´eDescartes (Carte- sius). Descartes f¨orordade i motsats till Bacon en vetenskaplig metod3 baserad p˚avissa enkla sj¨alvklara principer (axiom) och som kombinerat med matematik kunde beskriva ett rent mekanistiskt universum (matematik och deduktion). [8] Varken Bacon eller Descartes bidrog sj¨alva med n˚agot v¨asentligt till teoribildning inom naturvetenskaperna. Deras vikti- gaste bidrag var ist¨allet att˚astadkomma den avg¨orande brytningen med medeltidens bild- ningstradition (skolastiken). De f¨orsta4 naturvetenskapliga akademierna grundades f¨oljd- 2Mekaniskt arbete = kraft × f¨orflyttning i kraftens riktning. 3Sammanfattat i arbetet Discours de la M´ethode. Pour bien conduire sa raison, et chercher la v´erit´e dans les sciences, Leyden: Ian Maire, 1637. 4Den florentiska Accademia del Cimento (Experimentens akademi) bildades 1657 men uppl¨ostes redan tio ˚ar senare. Italiens storhetstid f¨orbleknade i slutet av 1600-talet; mycket p.g.a. av handelns f¨orskjutning fr˚an medelhavet till kusterna mot atlanten (England, Frankrike och Holland). [21] 3 riktigt i England och Frankrike (Royal Society i London 1660; Acad´emie de Sciences i Paris 1666). Akademiernas intr¨ade m¨ojliggjorde framf¨orallt ett v¨asentligt ¨oppnare vetenskapligt klimat j¨amf¨ort med de p˚aden tiden inbundna och av religion f¨orm¨orkade universiteten. Svenska Vetenskapsakademien instiftades i Stockholm 2 juni 1739. [17] 2 Tryck Begreppet tryck och dess verkningar i gaser5 och v¨atskor studerades i b¨orjan p˚a1600-talet av italienaren Torricelli, som ocks˚akonstruerade ocks˚aden f¨orsta barometern (kvicksil- verbarometern, 1643). Ytterligare teoribildning skedde i mitten av 1600-talet genom den franske matematikern, filosofen och fysikern Blaise Pascal (fluiders statik).6 Borgm¨astaren i Magdeburg, Otto von Guericke, demonstrerade 1654, med all t¨ankv¨ard tydlighet inf¨or kejsaren och p˚astadens torg, den enorma kraft som ett vakuum kunde pro- ducera (Magdeburgska halvkloten). Guericke7 bidrog visserligen inte till n˚agon ny teori men hans demonstration tog effektivt och slutgiltigt d¨od p˚aden gamla aristoteliska myten om att ett vakuum inte existerar (horror vacui). Guericke tillverkade ocks˚aden f¨orsta luft- pumpen (1661). BlaisePascal RobertBoyle 1623–1662 1627–1691 Robert Boyle, en av grundarna till Royal Society, angav 1661 att trycket i en gas ¨ar omv¨ant proportionellt mot dess volym, ett samband som tidigare observerats av hans landsm¨an Richard Towneley (c.1629–1707)8 och Henry Power (c.1623–1668). [5, 30] Att detta endast g¨aller vid l˚aga tryck och vid konstant temperatur visades f¨orst 15 ˚ar senare av fransmannen Edm´eMariotte, publicerat 1679 (Boyle-Mariottes lag).9 5Ordet gas (flaml¨andska f¨or kaos) myntades av belgaren Johann Baptista van Helmont (1579–1644). 6 Sedan 1971 ¨ar pascal den vedertagna SI-enheten f¨or tryck, enhetsbeteckning Pa. 7Guericke var i svensk tj¨anst som ingenj¨or 1631–36, under det trettio˚ariga kriget. Guericke blev adlad 1666. M˚anga av hans experiment finns beskrivna i Experimenta Nova (ut vocantur) Magdeburgica de Vacuo Spatio, Amsterdam: Joannem Janssonium `aWaesberge, 1672. 8Boyle kallar sambandet f¨or Towneleys hypotes. [5] 9I Frankrike enbart ben¨amnt Mariottes lag. Amagat bekr¨aftade 1869 lagens giltighet ned till ca. 10 Pa. Vid Amagats omfattande experiment uppn˚addes som h¨ogst tryckniv˚aer kring 300 MPa (1893). 4 3 Termometrar Den f¨orsta egentliga termometern presenterades under mitten av 1600-talet av storher- tigen Ferdinand II av Toscana, en av grundarna till den Florentinska akademien f¨or experi- mentella studier. Termometern inneh¨oll vinsprit och var av sluten typ till skillnad fr˚an Galileos variant fr˚an 1592 som var ¨oppen och d¨arf¨or kraftigt p˚averkades av omgivnings- trycket (termoskop). Fransmannen Amontons konstruerade 1702 en lufttermometer baserad p˚aden av honom funna principen att luftens tryck vid konstant volym ¨ar proportionell mot dess tempera- tur (kallas ibland f¨or Amontons lag). Som en konsekvens f¨oreslog Amontons 1703 att det borde finnas en absolut nollpunkt10 f¨or temperaturen. Enligt Amontons m¨atdata skulle den absoluta nollpunkten ligga vid ca. −240 ◦C, [13] att j¨amf¨ora med det idag fastslagna −273.15 ◦C (ITS-90). Enligt Amontons modell f¨or luftens“sp¨anstighet”[13] f¨oregreps dess- utom det faktum att Mariottes lag inte kan g¨alla vid h¨oga tryck. IsaacNewton AndersCelsius 1642–1727 1701–1744 En rad olika temperaturskalor lanserades i slutet p˚a1600-talet och i b¨orjan av 1700- talet. Som kuriosa kan n¨amnas den fr˚an 1701 anonymt anf¨orda d¨ar temperaturen noll sattes vid sm¨altpunkten f¨or vatten och tolv (12) vid den h¨ogsta uppm¨atbara tempera- turen hos en (frisk) m¨anniska. Det visade sig senare att artikeln var skriven av Sir Isaac Newton.11 Holl¨andaren Fahrenheit anvisade 1706 sin skala d¨ar temperaturen noll sat- tes vid det kallaste han kunde ˚astadkomma med en blandning av isvatten och salmiak och v¨ardet 96 vid temperaturen hos “blodet p˚aen frisk man”. Detta gav 32 resp. 212 vid sm¨alt- resp. kokpunkten f¨or vatten vid normalt tryck. Fahrenheit f¨orfinade ocks˚a olika m¨atmetoder f¨or temperatur och 1714 konstruerade han den f¨orsta egentliga12 kvick- silvertermometern; sprittermometern uppfanns 1730 av fransmannen R´eaumur; platina- 10Tanken om en absolut nollpunkt˚aterkom under 1730-talet efter studier av den skotske l¨akaren George Martine (1700–1741). [5] 11Framg˚ar t.ex. av Celsius uppsats fr˚an 1742 (Observationer om tw¨anne best¨andiga Grader p˚aen Thermometer). 12Astronomen och geofysikern Edmond Halley f¨oreslog 1693 kvicksilver som l¨amplig termometerv¨atska. Vissa konstruktionsid´eer till sina termometrar fick Fahrenheit fr˚an den danske astronomen Olaus R¨omer (Ole R¨omer Kristenson, 1644–1710). [13] R¨omer var f.¨o. den f¨orste att ber¨akna ljusets hastighet (1675). 5 resistans-termometern beskrevs 1870 av Werner von Siemens (1816–1892) och full¨andades 1886 av Hugh Longbourne Callendar. Celsiusskalan h¨arstammar fr˚an den av den svenske (Uppsala) astronomen Anders Celsius f¨oreslagna 1742. Celsius anvisade noll grader vid vattens kokpunkt vid normalt lufttryck och hundra grader vid vattens sm¨altpunkt (sm¨altande sn¨o).