Termodinamik tarihi

Termodinamiğin tarihi fizik tarihinde, kimya tarihinde ve genel olarak bilimin tarihinde temel bir aşamadır. Bilim ve teknolojinin birçok yerinde termodinamiğin bağıntısı sebebiyle, termodinamiğin tarihi klasik mekanik, kuantum mekaniği, manyetizma ve kimyasal hız bilimin gelişimi ile ince bir biçimde dokunmuştur ve meteoroloji, bilgi teorisi ve biyoloji, fizyoloji gibi daha uzak pratik alanlara ve buhar makinesi, iç yakımlı makine, kriyojeni ve elektrik üretimi gibi teknolojik gelişmelerle de bağlantılıdır. Termodinamiğin gelişmesi atom teorisi tarafından sürdü ve sürdürüldü. Ayrıca, ustaca bir yaklaşımla, olasılık ve istatistikte yeni yönleri harekete geçirdi.

Eski uygarlıklar ısıyı ateşe bağlı olarak incelediler. MÖ 3000 yılında, eski Mısırlılar ısıyı mitoloji kökenine bağlı olarak incelediler.. Batı felsefi geleneğinde, Sokratik düşünürler öncesi düşünürler arasında geçen temel element hakkında birçok tartışmadan sonra, Empodokles bütün maddelerin toprak, su, hava ve ateşten türediğini söyleyen 4 element teorisini sundu. Empodoklin ateş elementi muhtemelen filojiston ve kalori gibi sonraki kavramların başlıca atasıdır. MÖ 500 civarında, Yunan filozof Heraklitos meşhur sözü ‘’Her şey akıyor’’ yüzünden, ‘’akış ve ateş’’ filozofu olarak ünlü oldu. Heraklitos doğadaki başlıca 3 elementin ateş, toprak ve su olduğunu savundu.

Bir maddeyi ısıtmak protein alfa helisin bir kısmı gibi (yanda), atomların daha çok titremesine sebep olur ve bu evreyi genişletmek veya değiştirmek için eğer ısınma devam ediyorsa, doğanın aksiyomu 1700'lerde Herman Boerhaave tarafından işaretlendi.

Atomculuk termodinamik ve istatistiksel mekaniğin arasındaki bugünün ilişkisinin ana kısmıdır. Leukippos ve Demokritos gibi ve daha sonradan katılan Epikrosçular gibi antik düşünürler, atomculuğu ilerleterek gelecek atom teorisine katkıda bulundular. 20. Yüzyılda atomların deneysel kanıtları sonradan temin edilene kadar, atom teorisi büyük ölçüde felsefi düşünceler ve bilimsel sezgiler tarafından sürdürüldü.

MÖ 5. Yüzyılda, Yunan filozof Parmenides bilinen tek eseri geleneksel olarak adlandırılmış ‘’Doğada’’ şiirinde, esasen vakum olarak bilinen bir boşluğun doğada meydana gelemeyeceğini öne sürmek için sözsel muhakeme kullanır. Bu görüş Aristo’nun görüşleriyle desteklenmiş, fakat Leukippos ve İskenderiyeli Heron tarafından eleştirilmiştir. Eski uygarlıklardan Ortaçağ’a, çeşitli argümanlar bir vakumun varlığını kanıtlamak ya da çürütmek için öne sürüldü ve bir vakum oluşturmak için çeşitli girişimler yapıldı fakat hepsi başarısız oldu. 16. ve 17. Yüzyıldaki Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galilei ve Santorio Santoria gibi Avrupalı bilim adamları ilkel bir hava termometresi (termoskop) kullanarak havanın göreceli ‘’soğukluğunu’’ veya ‘’sıcaklığını’’ ölçmeyi başardılar. İskenderiyeli Heron ve Bizantiyonlu Filyon tarafından yapılan havayı genişleten ve daraltan önceki cihazdan etkilenilmiştir.

1600'lerde, İngiliz düşünür ve bilim insanı Francis Bacon şu kanıya vardı: ‘’Isının kendisi, özü ve niteliği harekettir, başka bir şey değil.’’ 1643’de, Aristo tarafından öne sürülen boşluk korkusunun ‘’emme’’ açıklamasını genel anlamda kabul ederken, Galileo Galilei doğanın vakum-nefretinin sınırlı olduğuna inandı. Madenlerde çalışan pompalar zaten doğanın bir vakumu sadece 9.14 metre (30 feet) yüksekliğinde suyla dolduracağını kanıtlamıştı. Bu ilginç gerçeği bilen Galileo, eski öğrencisi Evangelista Torricelli’yi bu varsayılan sınırlamaları incelemesi için cesaretlendirdi. Torricelli, Aristo’nun ‘’emme’’ perspektifi ışığında vakum nefretinin (boşluk korkusu) suyu artırmada sorumlu olduğuna inanmadı.Aksine, onun gerekçesi bunun, çevredeki hava ile sıvı üzerine uygulanan basıncın sonucu olduğuydu.

Bu teoriyi kanıtlamak için, Torricelli uzun bir cam tüpü (bir ucu kapalı) cıva ile doldurdu ve cıva içeren bir kabın içine baş aşağı şekilde çevirdi. Tüpün sadece bir kısmı boşaldı (yanda gösterildiği gibi); sıvının 76 cm’i (30 inch) kaldı. Cıva boşalmaya devam etti ve kısmi bir boşluk tüpün başında oluştu. Cıva gibi ağır elementler üzerinde yerçekimi gücü onun boşluğu doldurmasını engelledi.

1782-83’de kullanılan, Antoine Lavoisier ve Pierre-Simon Laplace tarafından yapılan dünyanın ilk buz kalorimetresi ; hesaplamalar Joseph Black in öncü gizil ısı çalışmalarını temel almıştır. Bu deneyler termokimyanın temellerini atmıştır.

Flojiston kuramı 17. Yüzyılda, simyacılık dönemlerinin sonlarında ortaya çıktı. 18. Yüzyılda Hararet teorisi tarafından yerinin alınması simyadan kimyaya geçişin tarihsel belirteçlerinden biridir. Flojiston yanma esnasında yanıcı maddelerden ve paslanma sürecinde metallerden serbest kaldığı sanılan kuramsal bir maddeydi. Hararetin flojiston gibi, onları ısıtarak daha sıcak bir vücuttan daha soğuk bir vücuda akan, ısının bir maddesi olduğu düşünüldü. Rumford sıkıcı dökme demir topların, kendisinin sürtünmeye yorduğu, muazzam miktardaki enerjisini gösterdiğinde, Hararet teorisinin ilk önemli deneysel zorlukları onun 1798’deki çalışmalarında ortaya çıktı ve onun çalışması Hararet teorisini zayıflatan ilk çalışmalar arasındaydı. Ayrıca buhar makinesinin gelişmesi dikkatleri ısı ölçümüne ve farklı tip kömürlerden üretilen ısı miktarına odakladı. Kimyasal reaksiyon sırasında ısı değişimleriyle ilgili ilk sayısal araştırma buz kalorimetresi kullanarak Lavoisier tarafından başlatıldı ve suyun erime ısısıyla ilgili çalışmalarıyla Joseph Black tarafından devam ettirildi.

1843 yılında James Prescott Joule tarafından yapılan daha sayısal çalışmalar sonradan doğruca tekrarlanabilir fenomenler sağladı ve termodinamiğin konusunu sağlam temeller üzerine yerleştirmeye yardım etti. Örneğin, William Thomson 1850’lerin sonlarına kadar ısı çerçevesinde Joule’un gözlemlerini açıklamaya çalışıyordu. Ancak kinetik teorinin yararlılık ve açıklayıcı gücü kısa sürede ısının yerini almaya başladı ve 19. Yüzyılın sonuna doğru büyük ölçüde kullanılmaz olmuştu. Joseph Black ve Lavoisier, termokimya olarak bilinen, kalorimetre kullanarak ısı değişimin kesin ölçümüne büyük katkıda bulundular.

Kökeninde, termodinamik motorların çalışmasıydı. Motorun ilk belirtisi, 1650’de dünyanın ilk vakum pompasını inşa eden ve Magdeburg yarımküreleri olarak bilinen dünyanın ilk vakumunu icat eden Alman bilim insanı Otto von Guericke tarafından tasarlandı. Aristo’nun uzun süreli tahmini ‘’Doğa boşluktan nefret eder’’ i çürütmek için vakum yapmaya çalıştı.

Kısa bir süre sonra,İrlandalı fizikçi ve kimyacı Robert Boyle Guericke’in tasarımlarını duydu ve 1656’da, İngiliz bilim insanı Robert Hooke ile koordinasyon halinde, bir hava pompası icat ettiler. Bu pompayı kullanarak, Boyle ve Hooke basınç-hacim ilişkisini fark ettiler: B.H=Sabit. O dönemde, havanın hareketsiz parçacıkların sistemi olduğu zannediliyordu ve hareket eden moleküllerin sistemi olarak yorumlanmıyordu. Termal hareket kavramı iki yüzyıl sonra geldi. Bu nedenle, Boyle’ın 1660’daki yayımı mekanik bir konsept hakkındadır: Havalı susta körüğü. Daha sonra, termometrenin icadından sonra, hassas sıcaklık ölçülebildi. Bu araç Gay-Lussac’a kısa bir süre sonra ideal gaz kanuna öncülük yapacak olan kendi kanunu elde etme şansını verdi. Fakat zaten ideal gaz kanununun kurulmasından önce, Boyle’ın Denis Papin adlı bir iş ortağı 1679’da yüksek basınç oluşana kadar buhar oluşturan sıkıca kapaklı kapalı bir kap olan bir düdüklü tencere icat etti. Daha sonra, makinenin patlamaması için tasarımlar buhar salan bir vana uyguladılar. Vananın ritmik bir şekilde aşağı inip yukarı çıkmasını izleyerek, Papin bir piston ve silindir motor fikrini düşünmeye başladı. Ancak kendi tasarımıyla tamamlayamadı. Buna rağmen, 1697’de Papin’in tasarımlarını temel alarak, mühendis Thomas Savery ilk motoru inşa etti. Bu erken motorlar ham ve verimsiz olmasına rağmen, zamanın önde gelen bilim adamlarının dikkatini çektiler. Bunlardan biri ‘’termodinamiğin babası’’ olarak bilinen, 1824 yılında ‘’Ateşin devindirici gücü ve bu gücü açığa çıkaran makineler üzerine düşünceler’’ makalesini yayımlan Sadi Carnot’tur. Bunlar, termodinamiğin modern bir bilim olarak başlangıcını işaretler.

Bu nedenle, 1698’den önce ve buhar makinesinin icadından önce, atlar güç kasnağı olarak kullanıldı; İngiltere’nin su taşmış tuz madenlerinden suları çıkarmak için kovalara bağlandı. Takip eden yıllarda, Newcomen makinesi ve daha sonradan yapılan Watt makinesi gibi buhar makinesinin daha çeşitlileri inşa edildi. Zamanla bu ilkel motorlar sonunda atların yerine kullanıldı. Böylece her bir motor kaç atın yerini tutuyorsa, o kadar miktarda atla ilişkilendirilmeye başlandı. Bu ilk motorların temel problemi giren yakıtın %2’sinden daha azını yararlı bir işe dönüştürerek yavaş ve beceriksiz kalmalarıydı. Diğer bir deyişle, büyük miktarda kömür (ya da odun) iş sonucunun sadece küçük bir parçasının ürün vermesi için yakılmak zorundaydı. Dolayısıyla motor dinamiklerinin yeni bir bilimine ihtiyaç doğdu. Çoğu kişi Sadi Carnot’un 1824'te çıkardığı Ateşin Devindirici Gücü Hakkında Düşünceler kitabını termodinamiğin modern bilim olarak başlangıç noktası olduğunu anarlar. Carnot ‘’devindirici gücü’’ nü bir motorun üretme kapasitesi olmasının yararlı etkisinin açıklaması olarak tanımlamıştır. Bu noktada, Carnot bize ‘’iş’’ in modern günümüzdeki ilk anlamını tanıttı: yükseklik vasıtasıyla kaldırılmış ağırlık. Formülasyon vasıtasıyla, ‘’iş’’ e ilişkin bu yararlı etkiyi anlama isteği günümüz termodinamiğinin özündedir. Günümüzde ev aletlerinden arabalara kadar birçok yerde termodinamik uygulama alanı bulmuş durumdadır. Evimizi ısıtmak için kullandığımız doğalgaz sistemleri de termodinamik uygulama alanlarına en güzel örneklerden birisidir. Buzdolabı, klima, içten yanmalı motorlar, termik santraller termodinamik uygulama alanlarına birer örnektir. İçerisinde ısıtma ve soğutma geçen tüm sistemler termodinamik yasalarından faydalanılarak geliştirilmiş ürünlerdir.

1843’te, James Joule deney yoluyla ısının mekanik eşdeğerini buldu. 1845'te, Joule 819 ft·lbf/Btu (4.41 J/cal) ısısının mekanik eşdeğerini tahmin etmesine olanak veren bir fıçı suyun içinde çarkı çevirmek için düşen bir ağırlığın kullanımını içeren en bilinen deneyini rapor etti. Bu, enerjinin korunumu teorisine öncülük etti ve ısının işi neden yapabileceğini açıkladı.

1850’de, ünlü matematiksel fizikçi Rudolf Clausius S düzensizliği kavramını ısı kaybı olarak ya da Yunancada dönmek anlamında olan ‘’entepin’’den gelen israf olmuş olarak tanımladı.

Fakat ‘’termodinamik’’ kelimesi İngiliz matematikçi ve fizikçi William Thomson (Lord Kelvin), makalesi Isının Dinamik Teorisi Üzerine’de termodinamik sözcüğünü oluşturduğunda 1854'te dillere ulaştı.

Clausius’un katkılarıyla, 1871’de İskoçyalı matematikçi ve fizikçi James Clerk Maxwell denklikteki çok sayıdaki parçacıkları analiz etme görevi yapan, başka bir deyişle hiçbir değişimin yaşanmadığı öyle ki sadece ortalama özellikle sıcaklığın S, basıncın B, hacmin ise H olduğu sistemleri olan termodinamiğin İstatistiksel Termodinamik olarak adlandırılan yeni bir dalını formülleştirdi.

Bu temellere dayanarak, Lars Onsager, Erwin Schrödinger ve Ilya Prigogine ve diğerleri bu motor ‘’konseptleri’’ bilimin neredeyse her modern dalının içinden geçirerek belirtmeye çalıştılar.

’’(…) hareket, görülmediği gerçeği temel alınarak reddedilmemelidir. Uzak mesafeden görülmemesine rağmen ağaç yapraklarının hareket ettiğini kim inkâr edebilir ki? Perspektif sebebiyle hareketin gizli kaldığı bu durumdaki gibi, hareket eden parçacıkların fazlasıyla küçük boyutlarından dolayı herhangi birinde gizli kalır. Her iki durumda da, görüş açısı o kadar küçüktür ki ne obje ne de hareket görülebilir.’’

Aynı yıllarda, Daniel Bernoulli bulunduğu kabın duvarlarıyla atomların çarpışmasını göz önünde bulundurarak gazın basıncı için bir denklem oluşturduğu kitabı Hidrodinamik’i (1738) yayınladı. Bernoulli bu basıncın, birim hacimdeki gazın ortalama üçte iki kinetik enerjisi olduğunu kanıtladı. Ancak Bernoulli’nin fikirleri egemen ısıyla ilgili kültürde çok az bir etki yaptı. Bernoulli, Gottfried Leibniz’in enerjinin korunumu prensibinin erken bir formülü olan vis viva prensibiyle bir bağlantı yaptı ve bu iki teori tarihleri boyunca yakın derecede birbirlerine dolaşık hale geldiler. Benjamin Thompson 1798’de deneylerinin sonucu olarak ısının bir hareket biçimi olduğunu önermesine rağmen, teorik ve deneysel yaklaşımları bağdaştırmak için hiçbir girişimde bululmadı ve Thompson’ın vis viva prensibini düşünüyor olması muhtemel değildir.

John Herapath daha sonradan 1820’de bağımsız olarak kinetik teoriyi formüle etti fakat sıcaklığı vis viva ya da kinetik enerjiyle ilişkilendirme yerine ivme ile ilişkilendirdi. Çalışmaları en nihayetinde emsallerini başarısızlığa uğrattı ve ihmal edildi. 1843’de John James Waterston tekrar bağımsız şekilde büyük ölçüde doğru bir açıklama sağladı fakat çalışmaları emsal değerlendirmelerini başarısızlığa uğratarak kinetik prensibe Davy kadar istekli birinden bile aynı tepkiyi aldı.

Kinetik teorideki ileri gelişmeler Rudolf Clausius’un, James Clerk Maxwell’in ve Ludwig Boltzmann’ın çalışmalarıyla ancak 19. Yüzyılın ortalarında başladı. Isı olarak adlandırılan hareketin doğası üzerine adlı 1857 yılındaki çalışmasında, Clausius ilk defa ısının moleküllerin ortalama kinetik enerjisi olduğunu açık şekilde ifade etmiştir. Bu, 1859’da ivme dağılımını türeten ve kendisinden isimlendiren Maxwell’in ilgisini çekti. Boltzmann yüzeysel alanlarda gazların durumu için dağılımını sonradan genelleştirdi.

Boltzmann teorideki temel konseptlerin çoğunu tanıtan o olduğu için muhtemelen kinetik teoriye en büyük katkıda bulunandır. Yukarıda bahsedilen Maxwell-Boltzmann dağılımının yanı sıra, Boltzmann parçacıkların kinetik enerjisini onların özgürlük dereceleriyle ilişkilendirmiştir. Dengesizlik durumlarında bir gazın dağılım işlevi için Boltzmann denklemi hala gazlarda ve metallerde taşınımı çalışmak için en etkili denklemdir. Geçerli makro durumlara cevap veren mikro durumların sayısı gibi termodinamik olasılığı konseptini tanıtarak, Boltzmann logaritmasının entropiye orantılı olduğunu gösterdi. Kinetik teorideki ileri gelişmeler Rudolf Clausius’un, James Clerk Maxwell’in ve Ludwig Boltzmann’ın çalışmalarıyla ancak 19. Yüzyılın ortalarında başladı. Isı olarak adlandırılan hareketin doğası üzerine adlı 1857 yılındaki çalışmasında, Clausius ilk defa ısının moleküllerin ortalama kinetik enerjisi olduğunu açık şekilde ifade etmiştir. Bu, 1859’da ivme dağılımını türeten ve kendisinden isimlendiren Maxwell’in ilgisini çekti. Boltzmann yüzeysel alanlarda gazların durumu için dağılımını sonradan genelleştirdi.

Hararet teorisini çalışmasına rağmen, Sadi Carnot 1824'te yararlı işler oluşturmak için mevcut kalorinin bazılarının herhangi gerçek süreçte kaybolduğunu ortaya attı. 1851 Mart’ta, James Prescott Joule’un çalışmalarıyla uzlaşmak için boğuşurken, Lord Kelvin kullanılabilir ısının tüm süreçlerde karşı konulmaz kaybı üzerine kafa yormaya başladı. Bu fikir, evrenin ısıl dengelilik kuruntusunu meydana getirerek 1854'te Hermann von Helmholtz tarafından daha çarpıcı biçimde şekillendirildi.

1854'te, William John Macquorn Rankine kendisinin termodinamik fonksiyon dediği hesaplamasından faydalanmaya başladı. Bunun, 1865'te Rudolf Clausius tarafından formüle edile entropi kavramına özdeş olduğu sonradan gösterildi. Clausius aynı sene termodinamiğin ikinci kanununun klasik ifadesini geliştirmek için kavramı kullandı.

Durumun bu olmayabileceğine yönelik öneriler bazı materyallerin iyi elektrik iletkenleri, diğerlerininse etkili yalıtıcı madde olduklarının kolayca belirgin olduğu yeni elektrik biliminden geldi. 1785'te Jan Ingen-Housz aynı dönemde Benjamin Thompson’ın yaptığı gibi en erken ölçümlerin bazılarını yaptı.

Sıcak havanın yükseldiği olgusu ve bu fenomenin meteoroloji için önemi ilk olarak 1686’da Edmund Halley tarafından fark edildi. Sir John Leslie bir hava akımının soğutma etkisinin kendi hızıyla yükseldiğini 1804'te gözlemledi. Durumun bu olmayabileceğine yönelik öneriler bazı materyallerin iyi elektrik iletkenleri, diğerlerininse etkili yalıtıcı madde olduklarının kolayca belirgin olduğu yeni elektrik biliminden geldi. 1785'te Jan Ingen-Housz aynı dönemde Benjamin Thompson’ın yaptığı gibi en erken ölçümlerin bazılarını yaptı.

Sıcak havanın yükseldiği olgusu ve bu fenomenin meteoroloji için önemi ilk olarak 1686’da Edmund Halley tarafından fark edildi. Sir John Leslie bir hava akımının soğutma etkisinin kendi hızıyla yükseldiğini 1804'te gözlemledi.

Carl Wilhem Scheele ısı transferini termal radyasyon (radyan ısı) ile konveksiyon ve iletimden 1777’de ayırdı. 1791’de, Pierre Prévost tüm maddelerin ne kadar sıcak veya soğuk olmaları fark etmeksizin ısı yaydığını gösterdi. 1804'te, Leslie kara cisim ışınımını önemini ileri sürerek mat siyah bir yüzeyin ısıyı cilalı bir yüzeyden daha etkili bir şekilde yayacağını gözlemledi. Scheele’nin çalışmalarından bile şüphe duyulmasına rağmen, 1831’de Macedonio Melloni kara cisim ışınımının ışıkla aynı şekilde yansıtılabileceği, toplanabileceği ve kutuplaştırılabileceğini ispatladı.

James Clerk Maxwell’in 1862 ısının ve radyan ısısının elektromanyetik dalga formları olduğu kavramı termal radyasyonun nicel analizinin başlangıcına öncülük etti. 1879’da, Jožef Stefan kara bir cisimden gelen toplam ışınım akışının sıcaklığın dördüncü kuvvetine orantılı olduğunu gözlemledi ve Stefan-Boltzmann kanununu bildirdi. Bu kanun 1884'te teorik olarak Ludwig Boltzmann tarafından üretildi.James Clerk Maxwell’in 1862 ısının ve radyan ısısının elektromanyetik dalga formları olduğu kavramı termal radyasyonun nicel analizinin başlangıcına öncülük etti. 1879’da, Jožef Stefan kara bir cisimden gelen toplam ışınım akışının sıcaklığın dördüncü kuvvetine orantılı olduğunu gözlemledi ve Stefan-Boltzmann kanununu bildirdi. Bu kanun 1884'te teorik olarak Ludwig Boltzmann tarafından üretildi.

1702’de, Guillaume Amontons gazların gözlemleyerek mutlak sıfır kavramını tanıttı. 1810’da, Sir John Leslie yapay olarak suyu buza dondurdu. Mutlak sıfır fikri 1848’de Lord Kelvin tarafından genelleştirildi. 1906’da, Walther Nernst termodinamiğin üçüncü kanununu bu kavram ile belirledi.