Vznik a vývoj termodynamiky a statistické fyziky
Aleš Lacina, Přírodovědecká fakulta MU Brno
Vlastnosti předmětu okolního světa a jejich vzájemné souvislosti zajímaly člověka odnepaměti. Snaha o jejich pochopení přivedla záhy první vzdělance i k úvahám o možném vztahu mezi vnějšími projevy a vnitřní stavbou látek. Už čtyři sta let před naším letopočtem řecký filosof Demokritos z Abdery učil, že vše existující (země, voda, vzduch, oheň, rostliny, zvířata i lidské tělo) se skládá z drobounkých, stejných neměnných částic - atomů (řecky atomos nedělitelný) - a všechny jevy a změny, probíhající ve světě, připisoval jejich pohybu. Pro správné hodnocení těchto představ - v obecné formulaci tak podobných představám dnešním - je třeba zdůraznit, že starověcí atomisté uvažovali čistě spekulativně a svoje vývody experimentálně netestovali. (Dokladem mlhavosti řady jejich myšlenkových konstrukcí může být například nijak nepodložený a blíže nevysvětlený Demokritův výrok, že „duše se skládá z malých, hladkých, kulatých atomů, podobných atomům ohně".) Ani jejich pozdější následovníci nebyli dlouho s to postavit atomistickou koncepci na solidnější přírodovědecký základ. Vcelku lze říci, že až do začátku dvacátého století, kdy teprve byla existence atomů prokázána přímými experimenty, vycházelo toto pojetí hlavně ze snahy o redukci mnohotvárnosti a proměnlivosti světa na pohyh neměnných stavebních elementů s cílem popsat co nejvíce jevů jednotným způsobem.
Z přírodovědeckého hlediska stojí z pozdějších atomistických snah za zmínku první pokusy Boyleovy (1627-1691) a Newtonovy (1642-1727) interpretovat teplo jako vnitřní pohyb, které ovšem ještě nebyly ani náznakem konzistentní kinetické teorie. Skutečný pokrok v rozvíjení této koncepce znamenaly až práce Bernoulliovy a Lomonosovovy. Daniel Bernoulli (1700-1782) ztotožnil ve své Hydrodynamice (1738) vzduch s ,,pružnou kapalinou", jejíž částice se ,,neobyČejně rychle pohybují v různých směrech", a na základě tohoto modelu odvodil již dříve známý experimentálně objevený zákon Boyleův (1662)-Mariotteův (1676) ( p ■ V - konst. pro zadané množství plynu a teplotu). Stanovil při tom i vztah mezi rychlostí pohybu částic a zahřátím plynu a vysvětlil lak zvyšování jeho pružnosti při zahřívání. O několik let později (1745-1747) vytváří Michail Lomonosov (1711-1765) - na základě hypotézy, že teplo je formou pohybu stavebních částic těles - víceméně důsledný mikroskopický popis, z něhož vyplynula celá řada jak kvalitativních, tak kvantitativních závěrů. Přestože Lomonosov spojoval - jak dneska víme, nesprávně - teplo pouze s rotačním a vibračním (nikoliv však translačním) pohybem částic, byl schopen vysvětlit například pružnost plynů a předpovědět i odchylky od Boyleova-Mariotteova zákona, způsobené konečnou velikostí molekul. (Dnes se tato odchylka popisuje korekcí b ve Van der Waalsově rovnici.) Tyto pozoruhodné výsledky však nezískaly mezi současníky příliš velký ohlas a tak první krok směrem k molekulárně-kinctické teorii plynů upadl brzy v zapomenutí.
Po celé následující století byl při studiu tepelných jevů preferován především fenomenologický přístup, zpočátku reprezentovaný kalorickou teorií, která pohlížela na teplo jako na ne-važitelnou substanci (tepelné fluidum). Tato představa o teple, jakožto nezničitelné a nestvoři-telné kapalině, vznikla zcela přirozeně při úvahách o vyrovnávání teploty dvou těles, během nějž jedno těleso přijímá totéž množství tepla, jaké druhé vydává. Díky její intuitivní přijatelnosti vírou v kalorickou teorii tepla příliš neotřásla ani známá - z dnešního hlediska velmi průkazná - pozorování Rumfordova (1798- vyvíjení tepla při vrtání dělových hlavní), či pozdější pokusy Davyho (1799 - tání dvou kousků ledu, vyvolané jejich vzájemným třením). Vrcholem léto koncepce, který ovšem platností svých obecných závěrů daleko přesáhl těsný rámec jejích předpokladů o povaze teplaje dílo Carnotovo.
1