.- 6. Šesto predavanje, Stuttgart, 6 ožujka 1920.
Tlak pare. Taljenje leda pod pritiskom. Čvrsto tijelo - slika tekućine. Tekućina - slika plina. Plin - slika topline.
Moji dragi prijatelji,
Danas ćemo najprije ispitati pojavu koja spada u oblast gdje su toplina, pritisak i širenje tijela povezani. Vidjeti ćete da će se simultanim ispitivanjem stvari koje doživljavamo na ovom polju otvoriti put razumijevanja za to što je stvarno toplina. Prvo ćemo usmjeriti pažnju na ono što je otkriveno ovdje u ove tri cijevi. U prvoj s desna, imamo živu u cijevi barometra i na vrhu je nešto vode. Voda smještena na ovakav način u ovom prostoru isparava. Voda je u vakuumu, kako to zovemo, u praznom prostoru, i može se reći da isparava. Mala količina vode u cijevi ispušta paru. Možemo utvrditi da isparava testirajući prisutnost vodene pare u prostoru iznad žive. Kada usporedite visine stupca žive u ovoj cijevi s visinom ovdje gdje je živa pod normalnim atmosferskim pritiskom, i gdje iznad žive nema vodene pare, vidjeti ćete da je nivo niži u cijevi koja sadrži vodu (Slika 1a, 1b). Naravno, živa može biti niža jedino ako postoji pritisak na vrhu stupca. Jer u cijevi barometra, nema pritiska na vrhu stupca. Postoji samo prazan prostor i stupac žive uravnotežuje atmosferski tlak i jednak mu je. Ovdje je tjeran dolje. Kada mjerimo nalazimo vrijednost razlike u visini. I do vrijednosti depresije je došlo pritiskom vodene pare, tenzijom pare kako se naziva. Odnosno, zapremina žive je tjerana ovdje dolje. Vidimo stoga, da para uvijek pritiska granične zidove. Nadalje, određeni pritisak odgovara određenoj temperaturi. To možemo demonstrirati zagrijavajući gornji dio cijevi. Možete vidjeti da kada je temperatura povećana, stupac žive tone, zbog povećanog pritiska pare. Dakle vidimo da para povećava svoj pritisak na zid to više što je njena temperatura viša. Možete promatrati pad žive i vidjeti kako napetost pare raste s temperaturom. Volumen koji zauzima para je odgovarajuće uvećan.
U drugoj cijevi nad stupcem žive imamo alkohol (Slika 1c). Opet možete vidjeti tekući alkohol kako zauzima određeni volumen. On isparava i shodno tome stupac je manje visine nego stupac barometra na lijevoj strani. Ako mjerim, nalazim da je kraći nego stupac koji je pod pritiskom vodene pare. Moramo čekati dok se vodena para ne vrati na istu temperaturu kakva je bila prije nego je zagrijan. Zatim ćemo naći da je napetost pare zavisna o supstanci koju koristimo. Napetost je veća u slučaju alkohola nego u slučaju vode. Ovdje opet, mogu napraviti isti pokus s toplinom. Vidjeti ćete da pritisak postaje znatno veći kada povećamo temperaturu. Kada paru hladimo do iste točke na kojoj je bila na početku, stupac žive raste, pošto s manjom napetošću pare postoji manji pritisak.
U trećoj cijevi imamo eter pod istim uvjetima kakvi su i u ostalim cijevima. On također isparava (Slika1d). Ovdje vidite da je stupac veoma nizak. Iz ovoga možete vidjeti da eter koji isparava pod istim uvjetima kao i voda pokazuje naveliko različit pritisak. Ne samo da je pritisak izvršen parom zavisan o temperaturi, već isto tako i od materijala. Ovdje vidite učinak povećane temperature, pokazan spuštanjem stupca (cijev neznatno zagrijana) zbog povećanja pritiska pare. U ovom slučaju opet možemo, potvrditi pojavu i tako nadopuniti naš pregled i voditi do rezultata kojeg želimo postići.
Sada, postoji pojava na koju vam želim posebno skrenuti pažnju. Znate iz prethodnih opservacija i također iz elementarne fizike da čvrsta tijela mogu biti promijenjena u tekućine, i tekućine u čvrsta tijela ako podignemo temperaturu iznad točke otapanja i snizimo je ispod točke otapanja. Sada, kada je tekućina očvrsnula tako da je dovedena ispod točke otapanja, ostaje čvrsto tijelo. Međutim, činjenica vrijedna pažnje, je da ako nametnemo tom čvrstom tijelu dovoljno veliki pritisak, otapati će se na temperaturi ispod njegove točke otapanja pod uobičajenim pritiskom.
Tako može postati tekućina na nižoj temperaturi nego je ona na kojoj je očvrsnut. Znate da se voda mijenja u led na 0°C. i mora biti čvrsto tijelo na svim temperaturama ispod 0°C. Sada ćemo na ovom ledu provesti pokus koji će pokazati da ga možemo napraviti tekućim bez povišenja temperature. Uobičajeno, trebali bi povećati temperaturu za to napraviti. U ovom slučaju nećemo podići temperaturu već jednostavno izvršiti jaki pritisak na led. To možemo tako da objesimo uteg preko leda pomoću takne žice. Led se topi ispod žice, i žica sječe njen put kroz led. Sada, očekivali bi da se ovaj blok leda razdvoji na dva dijela pošto je prorezan kroz sredinu. Ako bi mogli postići da radi brže vidjeli bi rezultat ovog pokusa. (Napomena: rezanje bloka odvijalo se tako sporo da do dalje opisanog rezultat nije došlo nego tek nekoliko sati nakon kraja predavanja.) Ako bi sada istupili ovdje i ispitali blok leda, našli bi da nema razloga za strah da će se dvije polovine srušiti dolje kada je žica prosjekla svoj put. Jer čvrsti led odmah srasta iznad reza; tako da žica prolazi kroz blok, uteg opada i blok ostaje cjelina. To pokazuje da je do fluidnosti dovedeno pod pritiskom žice, ali čim je tekućina oslobođena iz mjesta gdje je izvršen pritisak, očvršćuje se i blok leda postaje opet cijeli.
Na temperaturi leda, tekuće stanje se uspostavlja jedino pod povećanim pritiskom. Dakle čvrsto tijelo može biti otopljeno na temperaturi ispod njegove točke otapanja, ali pritisak mora biti održavan ako će ostati otopljeno. Čim je pritisak otpušten vraća se u čvrsto stanje. To je ono što bi vidjeli ako možete čekati ovdje sat ili slično.
Treća stvar koju vam želim predstaviti i koja će dati podršku za naše opservacije je slijedeća: Da bi to ilustrirali možemo uzeti bilo koja tijela praveći leguru, odnosno, miješajući bez formiranja kemijskog spoja; princip vrijedi za sve njih. U ovoj cijevi imamo bizmut koji se otapa na 269°C. a ovdje imamo kositar, koji se otapa na 232°C. Tako imamo tri tijela od koja sva imaju točku otapanja iznad 200°C. Najprije ćemo ova tri otopiti, dovodeći ih u tekuće stanje da bi formirali leguru. Oni će se miješati bez kemijskog spajanja. (Napomena: tri metala su otopljena i sipana zajedno.)
Sada, vi bi naravno rezonirali ovako: Pošto svaki od ovih metala ima točku otapanja iznad 200°C. ostali bi čvrsti u vodi koja ključa, jer voda ima točku otapanja na 0°C. i točku ključanja od 100°C. Stoga se ova tri metala ne mogu otopiti u uzavreloj vodi. Provedimo međutim pokus dovođenja legure, smjese od tri, u vodu, upravo na točki ključanja od 100°C. Na ovaj način možemo vidjeti kako ona djeluje. Termometar držimo ovdje u tekućoj metalnoj smjesi i čitamo temperaturu od 94°C. To pokazuje da iako ni jedan metal nije bio tekući na ovoj temperaturi, legura je tekuća. Činjenicu možemo izjaviti ovako: kada su metali pomiješani, činjenica iznosi na vidjelo da je točka otapanja smjese niža od točke otapanja bilo kojeg od njenih sastojaka. Dakle možete vidjeti kako tijela uzajamno djeluju jedna na drugo. Upravo iz ove činjenice možemo izvući važan princip za naše gledanje na prirodu pojave topline.
Ovdje još imamo tekuću leguru u vodi koja ključa što je na 100°C., a sada puštamo da se voda hladi, u međuvremenu promatrajući temperaturu. Legura se konačno učvršćuje. Mjereći temperaturu vode na ovoj točci, imamo točku otapanja legure i možemo pokazati da je ta točka otapanja niža od bilo koje od pojedinih metala.
Sada smo ovu pojavu dodali drugima da proširimo temelje našeg pogleda. Nastavimo pokušavajući stvari koje smo razmatrali jučer u odnosu na distinkciju između čvrstih, tekućih i plinovitih ili parnih stanja. Znate da se čvrsta tijela kakva su mnogi metali i druga mineralna tijela, pojavljuju ne u neodređenom obliku, već u veoma određenim oblicima koje zovemo kristali. Možemo reći: Pod uobičajenim okolnostima kakve postoje na Zemlji, čvrsta tijela se javljaju u veoma određenim oblicima ili kristalnim formama. To nas prirodno vodi da usmjerimo pažnju na te oblike, i pokušamo odgonetnuti kako ti kristali nastaju. Koje snage leže u temeljima formiranja kristala? Da bi došli do nekog uvida u ove stvari, biti će nam nužno razmotriti snage na i oko Zemlje u njihovoj ukupnosti kako su povezane s čvrstim tijelima.
Znate da kada u našoj ruci držimo čvrsto tijelo i pustimo ga, ono pada na Zemlju. U fizici se to obično objašnjava ovako: Zemlja privlači čvrsta tijela, djeluje na njih silom; pod utjecajem te sile — sile gravitacije — tijelo pada na Zemlju.
Kada imamo tekućinu i hladimo je tako da se učvršćuje, formira određene kristale.
Pitanje je sada, koji je odnos između sile koja djeluje na sva čvrsta tijela — gravitacije — prema ovim silama koje teže proizvesti kristalni oblik koji mora biti prisutan i aktivan u određenoj mjeri? Lako bi mogli misliti da gravitacija kao takva, preko čijeg posredništva tijelo pada na Zemlju (možemo u ovoj fazi govoriti o sili gravitacije), mogli bi misliti da ova gravitacijska sila nema ništa s izgradnjom kristalne forme. Jer gravitacija utječe na sve kristale. Bez obzira kakav oblik objekt mogao imati, podložan je gravitaciji. Nalazimo da ako imamo više čvrstih tijela u liniji i oduzmemo im oslonac, da sva padaju na Zemlju u paralelnim linijama. Taj pad može biti predstavljen nekako na slijedeći način: (Slika 3).
Možemo reći, kakav god oblik čvrsto tijelo moglo imati, pada duž linije okomite na površinu Zemlje. Kada sada, crtamo okomito na ove paralelne linije pada, dobijemo površinu paralelnu s površinom Zemlje (linija a-b, Slika3). Crtajući sve moguće okomice, na linije pada, dobijemo potpunu površinu paralelnu sa zemljinom površinom. To je na početku zamišljena površina. Možemo sada postaviti pitanje, gdje je u stvarnosti ta površina? Zapravo je prisutna kod tekućih tijela. Tekućina koju smjestim u posudu pokazuje kao stvarnu tekuću površinu ono što sam ovdje pretpostavio da je proizvedeno crtajući okomice na liniju pada (vidi c, d, e, f, na Slici 3).
Što je ovdje zaista uključeno i što to znači? Ono o čemu govorimo stvar je od ogromnog značaja. Jer, zamislite sebi slijedeće: Recimo da je netko pokušavao objasniti tekuću površinu i izjavio to ovako. Svakog momenta dio tekućine ima tendenciju da padne na Zemlju. Pošto drugi dijelovi to sprječavaju, tekuća površina je formirana. Sile su stvarno tamo, i prisutnost tekućine uzrokuje formiranje površine.
Predstavite sebi stvarno stanje tijela koja ćete pustiti da padnu, i sama priroda će vam pokazati što vam je rečeno u ovom objašnjenju, (Slika 4). U svoje razmišljanje morate uključiti tekuću površinu. Prije sam rekao: o tekućoj površini treba razmišljati u njenom odnosu prema čvrstim tijelima pri pravim kutovima na njihovu liniju pada. Kada to promislite do kraja, dolazite do stvari vrijedne pažnje da ono što ste morali uvesti kod čvrstih tijela kao nešto promišljeno, da je to pred vama predstavljeno na materijalni način od tekućih tijela. To inkorporira, takoreći, ono što je materijalno prisutno u tekućem. Možemo reći: tijela nižih stupnjeva agregacije, čvrsta tijela u njihovu odnosu sa Zemljom, pokazuju sliku onog što je stvarno prisutno u tekućini, na materijalni način, i što u slučaju vode sprječava čestice površine od padanja u tekućinu. To je oslikano, takoreći, u razmatranju čvrstog tijela u njegovu odnosu s cijelom Zemljom.
Promislite što nam to omogućava. Kada crtam liniju pada i površinu formiranu pod pritiskom padajućih tijela, tada imam sliku gravitacijske aktivnosti. To je direktni prikaz materije u tekućem stanju.
Možemo nastaviti dalje. Kada ostavimo vodu na bilo kojoj temperaturi dovoljno dugo ona se osuši. Voda uvijek isparava. Uvjeti pod kojima ona formira tekuću površinu samo su relativni. Mora biti zatvorena sa svih strana osim na tekućoj površini. Ona stalno isparava, u vakuumu brže. Ako nacrtamo linije koje pokazuju smjer u kojem voda teži, njihov smjer mora označavati kretanje čestica vode kada ona stvarno isparava. Međutim, kada stvarno nacrtam te linije, dobijem ni više ni manje nego prikaz plina koji je sa svih strana zatvoren i teži pobjeći u svim smjerovima (Slika 5). Na površini vode postoji određena tendencija koja, kada je crtam u svrhu objašnjavanja, predstavlja plin oslobođen i koji sebe distribuira u svim smjerovima. Dakle opet, možemo navesti prijedlog: ono što u vodi promatramo kao silu zapravo je na materijalan način predstavljeno u plinu.
Ovdje je izvedena zanimljiva činjenica. Ako sa određenog gledišta gledamo na tekućine ispravno, u njima otkrivamo sliku plinovitog agregatnog stanja. Kada ispravno predstavimo čvrsta tijela, u njima otkrivamo prikaz tekućeg agregatnog stanja. U svakom koraku dok se spuštamo postoji prikaz prethodnog koraka. Ilustrirajmo to idući odozdo prema gore. Možemo reći, kod čvrstih tijela imamo prikaz tekućeg stanja, kod tekućima imamo prikaz plinovitog, kod plinovitog imamo prikaz topline. S time ćemo se posebno morati baviti sutra. Danas ću reći samo ovo, da smo nastojali promaći most za misao od plinova do topline. To će postati jasnije sutra. Sada kada budemo dalje slijedili ovu liniju razmišljanja:
Kod čvrstih tijela slika tekućeg stanja;
Kod tekućina slika plinovitog stanja;
Kod plinova slika stanja topline;
Tada ćemo, zaista, poduzeti veliki korak naprijed. Napredovali smo do točke gdje imamo sliku u plinovitom stanju koja je dostupna čovjekovoj opservaciji, o manifestacijama topline i čak o pravoj prirodi same topline. Tada za nas postoji mogućnost da ispravno tražeći prikaz topline u plinovitom stanju, možemo objasniti njenu prirodu čak iako smo obvezni priznati da je ona za nas na početku nepoznat entitet. No, to moramo napraviti na pravi način. Kada su razne pojave koje smo do sada opisali obrađene onako kako ih fizika obično obrađuje, ne stižemo nigdje. Ali ako ispravno držimo u našim umovima one stvari koje su nam otkrivene od tijela pod utjecajem topline i pritiska, tada ćemo vidjeti kako mi, zapravo stvarno, dolazimo ispred onog što nam plinovi mogu otkriti — pravo biće topline.
Pri hlađenju, gdje imamo posla s tekućim i čvrstim stanjima, biće topline prodire dalje. Moramo zatim u tim stanjima prepoznati prirodu tog entiteta, premda to najbolje možemo u plinovitom stanju gdje je to očitije. Moramo vidjeti da bilo da se radi o tekućim ili čvrstim stanjima, toplina prolazi posebnu promjenu, i tako skužiti razliku između manifestacije u plinu gdje se pokazuje u slikovnom obliku i njene manifestacije u tekućinama i čvrstim tijelima.
Slika 1
Slika 2
Slika 3
Slika 4
Slika 5