του καθηγητή Φυσικής του ΑΠΘ Χ. Βάρβογλη για το Πειράματα Φυσικής με Απλά Υλικά.
Κατά καιρούς εμφανίζονται ξανά και ξανά στη δημοσιότητα συσκευές που υποτίθεται ότι παράγουν περισσότερη ενέργεια από όση καταναλώνουν, που δημιουργούν δηλαδή ενέργεια από το τίποτα. Πριν από μερικά χρόνια ήταν η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από νερό και πιο πρόσφατα η κίνηση αυτοκινήτου με νερό. Όλες αυτές οι συσκευές παραβιάζουν τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο, στη διατύπωση του οποίου συνεισέφερε σημαντικά ο συμπατριώτης μας Κωνσταντίνος Καραθεοδωρή, αφού η μορφή του νόμου που πρότεινε αυτός είναι η γενικά αποδεκτή σήμερα. Αυτό άλλωστε ήταν και ένα από τα θέματα της ομιλίας μου στην τελετή για την κυκλοφορία του νομίσματος των 2 ευρώ με την κεφαλή του Καραθεοδωρή, που οργάνωσε πριν λίγους μήνες η Τράπεζα της Ελλάδας για την επέτειο των 150 χρόνων από τη γέννηση αυτού του μεγάλου επιστήμονα. Στο μικρό αυτό κείμενο θα προσπαθήσω να παρουσιάσω τους νόμους της θερμοδυναμικής στο απλούστερο δυνατό επίπεδο, για να ενημερωθούν όσοι δεν τους ξέρουν και να τους ξεκαθαρίσουν στο μυαλό τους και αυτοί που θα έπρεπε να τους ξέρουν.
Όπως γράφω και στο βιβλίο μου Ιστορία και εξέλιξη των ιδεών στη φυσική, η θερμοδυναμική είναι ίσως το πιο αξιοσημείωτο κεφάλαιο της φυσικής. Οι νόμοι της είναι εντελώς αποκομμένοι από τους νόμους των υπόλοιπων κεφαλαίων της φυσικής, και παρόλ’ αυτά ισχύουν σε όλα τα κεφάλαια! Ειδικότερα ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής ισχύει όχι μόνον στην «κλασική» αλλά και στη «νεώτερη» φυσική, δηλαδή στην κβαντομηχανική και τη θεωρία της σχετικότητας, με τον συνυπολογισμό του ενεργειακού ισοδύναμου της μάζας (E = Mc2), έτσι ώστε αυτός ο νόμος αποτελεί το θεμέλιο όχι μόνο της φυσικής αλλά και της χημείας. Είναι φανερό ότι η ιδέα και μόνο ότι μπορεί να μην ισχύει ανατρέπει όλα όσα γνωρίζουμε για τη φύση. Πώς είναι λοιπόν δυνατόν να εμφανίζονται διάφοροι «εφευρέτες» και να υποστηρίζουν ότι επινόησαν μια μέθοδο για να τον παρακάμπτουν; Η απάντηση είναι απλή: ντύνοντας το αδύνατο με «επιστημονικοφανή» επιχειρήματα -τον ορισμό δηλαδή της ψευδοεπιστήμης. Κρίμα που δεν περιλάβαμε αυτή την περίπτωση στο πρόσφατο βιβλίο: Ψευδοεπιστήμες και θεωρίες συνομωσίας, αφού καλύπτει και τις δύο περιπτώσεις: όχι μόνο είναι ψευδοεπιστήμη αλλά και καταλήγει σε θεωρίες συνομωσίας, με τη δικαιολογία ότι η κάθε τέτοια εφεύρεση δεν βρίσκει εφαρμογές επειδή την «κυνηγάνε» τα μεγάλα οικονομικά συμφέροντα.
Όταν ήμουν μικρός είχα διαβάσει σε ένα βιβλίο την απλούστερη απάντηση στο ερώτημα «γιατί το νερό δεν καίγεται;»: επειδή είναι ήδη καμένο υδρογόνο! Σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, για να διαχωρίσουμε το νερό στα συστατικά του, οξυγόνο και υδρογόνο, πρέπει να καταβάλουμε τουλάχιστον τόση ενέργεια, όση πήραμε από την καύση του υδρογόνου. Λέω τουλάχιστον επειδή είναι αδύνατο να κατευθύνουμε όλη την παρεχόμενη ενέργεια στο νερό, ένα μέρος σίγουρα θα διαφύγει στο περιβάλλον. Άρα στην ιδανική περίπτωση το κέρδος μας σε ενέργεια από οιαδήποτε συσκευή βασίζεται στην παραγωγή ενέργειας από νερό είναι μηδέν -και στον πραγματικό κόσμο είναι αρνητικό: δίνουμε περισσότερη ενέργεια από όση παίρνουμε. Πώς γίνεται λοιπόν να υπάρχει λογική συζήτηση για τέτοιου είδους «εφευρέσεις»; Τη απάντηση την έδωσα ήδη: επειδή οι «εφευρέτες» ντύνουν με επιστημονικοφανή γλώσσα το επιστημονικά αδύνατο. Για παράδειγμα μπερδεύουν τις ενδόθερμες χημικές αντιδράσεις (που καταναλώνουν δηλαδή ενέργεια) με τις εξώθερμες (που αποδίδουν δηλαδή ενέργεια) ή επικαλούνται τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Στην πρώτη περίπτωση παραλείπουν την ενέργεια που εμφανίζεται σε ένα από τα δύο μέλη της κάθε χημικής εξίσωσης και στη δεύτερη παραλείπουν το γεγονός ότι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής περιορίζει την απόδοση της μετατροπής θερμότητας σε άλλες μορφές ενέργειας περισσότερο από ό,τι την περιορίζει ο πρώτος. Αν η απόδοση βάσει του πρώτου νόμου είναι αρνητική, πώς μπορεί ο δεύτερος να την κάνει θετική;
Τελειώνω με λίγα σχόλια για τους δύο νόμους της θερμοδυναμικής που ανέφερα παραπάνω. Ο πρώτος, δηλαδή η διατήρηση της ενέργειας, ξεκίνησε από την ποσότητα vis viva (ζωντανή δύναμη στα λατινικά, από την εποχή που η γλώσσα της επιστήμης ήταν τα λατινικά) που όρισε ο Leibniz για μηχανικά συστήματα. Στη συνέχεια επεκτάθηκε σιγά-σιγά στις θερμικές μηχανές και στα υπόλοιπα κεφάλαια της φυσικής. Ο δεύτερος νόμος είχε πιο περιπετειώδη ιστορία. Τον διατύπωσε πρώτος ο Γάλλος Carnot για θερμικούς κύκλους, δηλαδή για μηχανές εσωτερικής καύσης ή ατμομηχανές, χρησιμοποιώντας την ιδέα ότι η θερμότητα είναι ένα είδος ρευστού και όχι μια μορφή ενέργειας. Το πώς έτυχε από λάθος υπόθεση να προκύψει σωστό συμπέρασμα θέλει κάποια ανάλυση, που ξεφεύγει από τα όρια ενός απλού ενημερωτικού σημειώματος και αναφέρεται στην αγγλική έκδοση του βιβλίου μου History and Evoluson of Concepts in Physics. Στη συνέχεια τον διατύπωσαν στη γενικότερη περίπτωση, πέρα από τις θερμικές μηχανές, οι Γερμανοί φυσικοί Clausius και Planck και ο Άγγλος φυσικός William Thomson (Lord Kelvin) χρησιμοποιώντας την έννοια της θερμότητας. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο δικός μας Καραθεοδωρή διατύπωσε μια μορφή αυτού του νόμου χωρίς να χρειαστεί να αναφερθεί στην έννοια της θερμότητας, που ξέρουμε σήμερα ότι δεν είναι τίποτα άλλο παρά η κινητική ενέργεια μικρών σωματιδίων που εκτελούν τυχαία κίνηση. Έτσι δημιούργησε έναν νέο κλάδο, τη γεωμετρική θερμοδυναμική. Κατά τη γνώμη μου αυτή είναι η σημαντικότερη συνεισφορά του Καραθεοδωρή στη φυσική.
Εικόνες:
h~ps://www.protothema.gr/world/arscle/495857/motosikleta-dianuei-500-hiliometra-me-ena-litro- nero/
h~ps://www.washsmart.eu/%CE%B3%CE%B5%CE%BD%CE%BD%CE%AE%CF%84%CF%81%CE%B9%CE% B1-%CF%85%CE%B4%CF%81%CE%BF%CE%B3%CF%8C%CE%BD%CE%BF%CF%85-hho/
h~ps://glossitses.wordpress.com/2012/06/11/%CE%B1%CF%85%CF%84%CE%BF%CE%BA%CE%AF%CE% BD%CE%B7%CF%84%CE%BF-%CF%80%CE%BF%CF%85- %CE%BA%CE%B9%CE%BD%CE%B5%CE%AF%CF%84%CE%B1%CE%B9-%CE%BC%CE%B5- %CE%BD%CE%B5%CF%81%CF%8C-%CF%84%CF%8E%CF%89%CF%89%CF%81/
tinanantsou.blogspot.gr
