 |
 |
 |
Dejingen dy't wolris tusken skiekundigen sitte hearre gauris it wurd "thermodynamisch" foarby kommen. Dat komt omdat termodynamika in tige wichtich fak is yn de gemy. It hat lykwols de reputaasje nochal dreech te wêzen. Mannich gemikus wurdt wyt om 'e noas as se weromtinke oan it tentamen thermodynamica. Ik wol dan ek ris ienfâldich útlizze wêr't it fak eins oer giet.
Thermodynamica giet oer it omsetten fan enerzjy, fan waarmte nei arbeid en vice versa. Wittenskip en technyk geane hjir hân yn hân. It fak boekte flinke foarútgong yn de tiid fan de yndustriële revolúsje en de napoleontyske oarloggen. De stoommasine wie krekt útfûn, en it bouwen fan effisjinte stoommasines wie in wichtige ekonomyske en militêre beweechreden.
Omdat klassike termodynamika begûn yn de wurktúchbou, is it in fenomekologysk fak dat giet oer saken op grutte skaal – masines en bulk. De teory bekroadet him net iens om lyts guod lykas atomen of molekulen. Yn stee dêrfan hantearret hja abstrakte termen as frije enerzjy of entropy. It is mear in soarte boekhâlding fan in energetyske balâns.
Dêr sit tink ik ek de swierrichheid foar hjoeddeiske studinten – se redenearje út de har fertroude lytse boustientsjes wei, mar dêr giet dy teory net oer. Ik sjoch dat it in soad tiid kostje kin foardat dit besef by jonge minsken trochkringt, soms pas nei it tentamen. Ik bin dêrom fan betinken dat in fak as dit begjinne moat mei it behanneljen fan de skiednis derfan yn it earste kolleezje. Lit ik dy meinimme yn hoe't ik it oan studinten útlis, dy't ik help mei de tarieding op in tentamen klassike termodynamika.
Wy geane werom nei de útfining dy't de yndustriële revolúsje mooglik makke. It idee fan in stoommasine giet al werom nei de santjinde iuw. Papin en Huygens betochten dat it wetter yn in sylinder opwaarmje koe, sadat stoom in sûger omheech beweegde, dy't nei ôfkuolling ûnder eigen gewicht wer weromsakke. In aardich gefaltsje sûnder praktysk nut fanwegen de omslachtige en trage wize fan wurkjen. Der wie trouwens ek noch gjin technology om in fatsoenlik slutende sylinder mei sûger te fabrisearjen.
Yn de iuw dêrnei wie der in enerzjykrisis yn Ingelân. De wichtichste brânstof wie hout, mar de Ingelsen hiene ek in soad beammen foar har ymminske float nedich, mei kealslach as gefolch. It stoken fan koallen lei foar de hân, mar de minen rûnen fol wetter. In beskate Newcomen betocht dat in grutte ferzje fan Papin’s boarterke as pomp brûkt wurde koe. Dizze earste stoommasines moasten stookt wurde mei in ûnbenullich soad koalen, mar dat boeide gjinien omdat se boppe-op in koalemyn boud wiene. Woest de masine earne oars brûke, dan moast er earst folle effisjinter wurde.
James Watt betocht hoe't Newcomen’s masine effisjinter wurde koe, wêrtroch't se fier fan in koalemyn noch rendabel wiene, en hoe't je der allegearre handige masines mei oandriuwe koene. De yndustriële revolúsje wie dêrmei in feit. Mar hoewol't Watt wist dat der in grins siet oan de effisjinsje fan in stoommasine, koe er dat net ferklearje. Hoefolle arbeid kin in masine maksimaal dwaan, jûn in hoemannichte waarmte? Dêrfoar moatte wy nei Ingelânsk doetiidske Nemesis, Frankryk.
Sadi Carnot wie in jonge offisier yn Napoleon’s leger. Hy seach mei lege eagen nei Ingelske stoommasines en besleat Frankryk in foarsprong te jaan. Hy ûntduts net allinnich wêr't de effisjinsje fan in stoommasine fan ôfhong, mar betocht ek in briljante ferklearring wêrom't dit ûnôfhinklik wie fan it ûntwerp. Dit wurk brocht oan it ljocht dat arbeid kompleet omset wurde kin yn waarmte, mar dat it wurk kostet om waarmte om te setten yn arbeid. Dat is noch altyd ít skoalfoarbyld fan in technysk probleem dat ta fûneminteel wittenskiplik ynsjoch laat hat.
Carnot skreau der in moai boek oer - Réflexions sur la puissance motrice du feu. Dat moatst echt ris lêze. Krige Carnot in stânbyld fan in tankbere naasje? Welnee, hy waard negearre oant gâns jierren letter Benoît Clapeyron dit boek lies om in bettere stoomlokomotyf bouwe te kinnen. De Carnot cyclus, dy't elke bèta-studint leare moat, is betocht troch Clapeyron. Dêr sitte begrippen yn dy't yn Carnot’s tiid noch ûnbekend wiene, en dat makket it wurk fan Carnot sa knap.
Hoe sit it no mei al dy drege termen wêrmei't yngenieurs en wittenskippers graach skermen? Hast altyd enerzjy, in hoemannichte arbeid en waarmte, nedich om wat te kreëarjen. Dit is de saneamde altyd ynterne enerzjy fan dyn kreaasje, en dy kinst neffens Carnot dus net mear folslein weromwinne as nuttige arbeid. Ast de foarm fan dyn maksel feroarest moatst ek arbeid en waarmte meirekkenje dy't dêrfoar nedich is, en ynterne enerzjy hjit as entalpy. Ynterne enerzjy, of entalpy, is dan ek de som fan nuttige arbeid dy't wól ferrjochte wurde kin, frije enerzjy, en foar arbeid ûnbeskikbere enerzjy dy't ferbân hâldt mei entropy. Dy lêste term komt út it Gryksk en betsjut hjir safolle as yn ferfal. Sa, no kensto al dy drege wurden ek, dêrst op in feest geheid yndruk mei meitsje silst.
Learden begûnen te ûntdekken dat termodynamika net allinnich betrekking hat op stoommasines, mar op álle gemyske en natuerkundige prosessen tapasber is. Der binne in soad grutte nammen oan ferbûn – Clausius, Thomson, Gibbs, Helmsek, Boltzmann … de list giet mar troch. Dêrom hearst minsken op in lab sa faak praten oer termodynamika. De essinsje fan it fak is úteinlik gearfette yn mar twa haadwetten.
De earste is dat de hoemannichte enerzjy yn it universum konstant is. Enerzjy komt earne wei of giet earne hinne. Wie dat net sa dan soene je in masine meitsje kinne dy't fergees wurk leveret neidat er úteinset is. Al dyselden dy't bewearden dat se sa'n wûnder, in perpetuum mobile fan de earste oarder, blieken te hawwen sûnder útsûndering of him oprjocht fersind te hawwen, of sjarlatans te wêzen. Pas yn de tweintichste iuw kaam prominint wiskundige Emmy Noether mei in djip ynsjoch: as natuerwetten yn de tiid net feroarje, en dêrfan geane wy út, dan is de earste haadwet it needsaaklike gefolch.
De twadde haadwet fettet it wurk fan Carnot gear. It tal nutteleaze enerzjy, en dêrmei disoarder, nimt allinnich mar ta. Soe dat net sa wêze dan soene je in skip farre litte kinne troch allinnich mar waarmte te ûntlûken oan it wetter dêr't it op dreau. Sa'n skip soe dan in foarbyld wêze fan in perpetuum mobile fan de twadde oarder, mar men fergriemt better gjin tiid oan it útfinen derfan.
Dizze twadde haadwet is trouwens it iennichste natuerkundige prinsipe dat rjochting jout oan tiid. Dy kin allinnich mar foarút, en it universum ferliest stadichoan frije enerzjy oant dy hielendal útput is, der oeral deselde temperatuer hearsket en der allinnich noch mar strieling oerbliuwt. In romleas ein, mar leau my, it sil ús tiid wol duorje.
Ik hoopje datst no in idee hast wêr't termodynamika oer giet, en dat it in wichtich mar ek bêst lestich fak is. Yn in folgjend artikel kinne wy it iens hawwe oer oare fakken dêr'tst dyn hiele libben wat oan hast. Graach oant in oare kear!
