സാധരണഭാഷയിൽ ‘ചൂടിൻ്റെ ശക്തി’യെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനം എന്നു പറയാം. ‘താപഗതികം’ എന്നാണ് അംഗീകൃത പരിഭാഷ. ഗ്രീക്ക് ഭാഷയിൽ നിന്നാണ് ‘തെർമോഡൈനാമിക്സ്’എന്ന ഇംഗ്ലീഷ് സംജ്ഞയുടെ ഉത്ഭവം. ‘Therme’ എന്നാൽ ഗ്രീക്ക് ഭാഷയിൽ ‘heat’ അതായത് താപം അഥവാ ചൂട് എന്നും thermos എന്നാൽ ‘hot’ അതായത് ചൂടുള്ളത് എന്നും dunamis എന്നാൽ ‘power,’ ‘potential,’ or ‘ability’ എന്നുമൊക്കെയുമാണ് അർത്ഥമാക്കുന്നത്. മലയാളത്തിൽ ‘ശക്തി’, ‘ബലം’ എന്നൊക്കെ പറയാം. ഈ പദങ്ങൾ ചേർന്നാണ് ‘തെർമോഡൈനാമിക്സ്’ ആയി മാറിയത്.
പൗരാണിക ഗ്രീക്ക് തത്ത്വചിന്തയിൽ ചൂടിനെ തീയുമായും പദാർത്ഥങ്ങൾക്കുള്ളിലെ ചലനവുമായുമൊക്കെ ബന്ധിപ്പിച്ച് വിശദീകരിക്കാനുള്ള ശ്രമങ്ങൾ കാണാം. പൗരാണിക ഗ്രീക്കിലെന്നപോലെ പൗരാണിക ഇന്ത്യയിലും ‘അഗ്നി’ അഥവാ ‘തീ’ ഒരു മൂലകപദാർത്ഥമായാണ് പരിഗണിച്ചിരുന്നത്. ഗ്രീക്ക് തത്ത്വചിന്തയിലെ ഈ ആദ്യകാല ആശയങ്ങൾ ‘കലോറിക്’ സിദ്ധാന്തത്തിൻ്റെ രൂപീകരണത്തിലേക്ക് നയിച്ചതായി കരുതപ്പെടുന്നു. പതിനേഴാം നൂറ്റാണ്ടിൽ യൂറോപ്പിലെ ശാസ്ത്രജ്ഞരെയും അന്വേഷകരെയും ആകർഷിച്ചിരുന്ന, എന്നാൽ പിടിതരാതിരുന്ന ഒരു ‘ശക്തി’യായിരുന്നു ‘താപം’ അഥവാ ‘ചൂട്’ എന്ന് സാധാരണഭാഷയിൽ നമ്മൾ പറയുന്ന ഊർജരൂപം. പണിയിടങ്ങളിലും പഠനശാലകളിലും ഒരുപോലെ ജിജ്ഞാസയുണർത്തിയ കാര്യമായിരുന്നു അത്. വെള്ളം തിളക്കുന്നത് മുതൽ ആവിയന്ത്രം ചലിക്കുന്നതു വരെ ആ ശക്തിയുടെ പ്രഭാവമാണ്. എന്നാൽ ചൂട് എന്താണ് യഥാർത്ഥത്തിൽ? അക്കാലത്ത് അതേക്കുറിച്ചുള്ള ധാരണകൾ പരിമിതമായിരുന്നു. ‘ചൂട്’ എന്താണെന്ന് ഇന്ന് ശാസ്ത്രീയമായി അറിയാവുന്ന കാര്യങ്ങളിലേക്ക് എത്താൻ ചില നൂറ്റാണ്ടുകൾ നീണ്ടുനിന്ന അന്വേഷണങ്ങളും പരീക്ഷണങ്ങളും വിശകലനങ്ങളും വിചിന്തനങ്ങളും വേണ്ടിവന്നു.
ചൂട് ഒരു ദ്രാവകം?
നൂറ്റാണ്ടുകൾ കടന്നുപോയി, അറിവിനായുള്ള അന്വേഷണം തുടർന്നു. പതിനേഴാം നൂറ്റാണ്ടാകുമ്പോഴേക്ക് ചൂട് ഒരുതരത്തിലുള്ള അദൃശ്യ ദ്രവപദാർത്ഥമാണെന്ന പൊതുധാരണ രൂപപ്പെട്ടിരുന്നു. ഈ സങ്കല്പദ്രവം ‘കലോറിക്’ (caloric) എന്നാണ് അറിയപ്പെട്ടിരുന്നത്. അത് ചൂടുള്ള വസ്തുക്കളിൽനിന്ന് തണുത്തവയിലേക്ക് ഒഴുകുന്നു, അങ്ങനെ അതുമായി സമ്പർക്കത്തിലെത്തുന്ന വസ്തുക്കളെ ‘ചൂടാക്കുന്നു’. അക്കാലത്തെ നിരീക്ഷണങ്ങൾ വിശദീകരിക്കാൻ ഉതകുന്ന സ്പഷ്ടമായ ഒരാശയം തന്നെയായിരുന്നു അത്. എന്നാൽ ഈ ആശയം ചൂടിൻ്റെ യഥാർത്ഥ സ്വഭാവത്തിലേക്കുള്ള യാത്രയുടെ തുടക്കം മാത്രമായിരുന്നു.
താപനില അളക്കാനുള്ള ശ്രമങ്ങൾ
പതിനാറാം നൂറ്റാണ്ടിൻ്റെ അവസാനം, 1592- ൽ ഗലീലിയോ ഗലീലിയാണ് ആദ്യത്തെ തെർമോമീറ്ററിൻ്റെ പ്രാഗ്‌രൂപം നിർമ്മിച്ചത്. ചൂടിൻ്റെ ഏറ്റക്കുറച്ചിലുകൾ അതായത് താപനിലയിലുള്ള (temperature) വ്യത്യാസം അറിയാൻ സഹായിക്കുന്ന തെർമോസ്ക്കോപ്പ് (thermoscope) എന്നു വിളിക്കുന്ന ഉപകരണമായിരുന്നു അത്. തുടർന്ന് 1612 -ൽ ഇറ്റലിയിലെ സാൻറ്റോറിയോ സാൻറ്റോറിയോ (Santorio Santorio) ആദ്യത്തെ വാതക തെർമോമീറ്ററിന് രൂപം നൽകി. പിന്നീട് 1654 -ൽ ദ്രാവക തെർമോമീറ്ററും 1714-ൽ മെർക്കുറി തെർമോമീറ്ററും നിർമ്മിക്കപ്പെട്ടു.
ഗബ്രിയേൽ ഫാരൻഹീറ്റ്‌ ആണ് മെർക്കുറി തെർമോമീറ്ററിൻ്റെയും ഫാരൻഹീറ്റ്‌ സ്കെയിലിൻ്റെയും ഉപജ്ഞാതാവ്. തുടർന്ന് 1742-ൽ ആൻഡേർസ് സെൽഷ്യസ് ജലത്തിൻ്റെ തിളനിലയെയും (boiling point) ഉറയൽ നിലയെയും (freezing point) ആസ്പദമാക്കിയുള്ള സെൽഷ്യസ് സ്കെയിൽ ആവിഷ്കരിച്ചു. അങ്ങനെ ‘താപനില’ (temperature) അളക്കുന്നതിനുള്ള വാതിൽ തുറന്നു, കൂടുതൽ കൂടുതൽ കൃത്യതയിലേക്ക് ക്രമേണ എത്തുകയും ചെയ്തു. പുതിയ പല കണ്ടെത്തലുകളിലേക്ക് അത് വഴിതെളിച്ചു
വാതകങ്ങളുടെ പെരുമാറ്റരീതി
1662-ൽ, ഐറിഷ് തത്ത്വചിന്തകനും പരീക്ഷണതല്പരനും ശസ്‌ത്രകാരനുമായ റോബർട്ട് ബോയ്‌ൽ (Robert Boyle) വാതകങ്ങളുടെ സവിശേഷമായൊരു പെരുമാറ്റരീതി കണ്ടെത്തി. ഒരു വാതകത്തെ ചെറിയ സ്ഥലത്തേക്ക് അമർത്തുമ്പോൾ, അതിന്റെ മർദം കൂടുന്നതായി അദ്ദേഹം മനസ്സിലാക്കി. വാതകം അമർത്തുന്നതിന് എതിർദിശയിലേക്ക് തള്ളുന്നതുപോലെ അനുഭവപ്പെട്ടു. അതായത് വ്യാപ്തം കുറയുമ്പോൾ മർദം കൂടുന്നു. ബോയ്‌ലിൻ്റെ നിരീക്ഷണങ്ങൾ വാതകങ്ങളുടെ മർദം, വ്യാപ്തം, താപനില എന്നിവ തമ്മിലുള്ള ദൃഢമായ ഒരു ബന്ധം ഉണ്ടെന്ന് സൂചിപ്പിച്ചു. തെർമോഡൈനാമിക്സിൻ്റെ രഹസ്യങ്ങൾ തുറക്കാൻ പിന്നീട് ശാസ്ത്രജ്ഞരെ ഇത് സഹായിച്ചു.
ന്യൂട്ടന്റെ തത്ത്വങ്ങൾ : ചലനവും ഊർജവും
ഏതാണ്ട് അതേസമയം, ഇംഗ്ലണ്ടിൽനിന്നുള്ള ഐതിഹാസിക ശാസ്ത്രജ്ഞനായ ഐസക് ന്യൂട്ടൺ (Isaac Newton), വസ്തുക്കൾ എങ്ങനെ ചലിക്കുന്നുവെന്നും പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്നുവെന്നും പര്യവേക്ഷണം ചെയ്തുകൊണ്ട് ക്ലാസിക്കൽ മെക്കാനിക്സിൻ്റെ അടിത്തറയിടുകയായിരുന്നു. അദ്ദേഹത്തിൻ്റെ ചലന നിയമങ്ങളും ഊർജത്തെക്കുറിച്ചുള്ള ആശയങ്ങളും പിന്നീട് ചൂടും പ്രവൃത്തിയും എങ്ങനെ ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നുവെന്ന് മനസ്സിലാക്കുന്നതിന് അത്യന്താപേക്ഷിതമായിത്തീർന്നു. എന്നാൽ അപ്പോഴും ചൂടിൻ്റെ ‘രഹസ്യം’ പരിഹരിക്കപ്പെടാതെ തുടർന്നു.
വഴിത്തിരിവ്: സാദി കാർനോയുടെ സംഭാവനകൾ
മുന്നോട്ട് സഞ്ചരിച്ച് നമുക്ക് പത്തൊൻപതാം നൂറ്റാണ്ടിലേക്ക് എത്താം.
സാദി കാർനോ (Sadi Carnot – ഫ്രഞ്ച് ഉച്ചാരണരീതിയനുസരിച്ച് ‘t’ സൈലൻ്റ് ആണ്) എന്ന യുവ ഫ്രഞ്ച് എഞ്ചിനീയർ ആവി എഞ്ചിനുകളിൽ ആകൃഷ്ടനായി. ശക്തമായ ആവി യന്ത്രങ്ങൾ വ്യവസായങ്ങളെ അടിമുടി പരിവർത്തനം ചെയ്യുകയായിരുന്നു, പക്ഷേ, എന്തുകൊണ്ടാണ് അവ പ്രവർത്തനക്ഷമമാകുന്നതെന്ന് അക്കാലത്ത് ആർക്കും വ്യക്തമായിരുന്നില്ല. കാര്യക്ഷമമായ ആവി എഞ്ചിനുകൾ എങ്ങനെ രൂപകല്പന ചെയ്യാം എന്നതിൽ കാർനോ അതീവ തല്പരനായിരുന്നു. ആവിയന്ത്രങ്ങൾക്ക് അതിനകം തന്നെ ധാരാളം ഉപയോഗങ്ങളുണ്ടായിരുന്നു-ഖനികളിൽനിന്ന് വെള്ളം വറ്റിക്കുക, തുറമുഖങ്ങളിൽ നിന്നും നദികളിൽനിന്നും മണ്ണ് നീക്കുക, ഇരുമ്പ് പലരൂപത്തിൽ മാറ്റിത്തീർക്കുക, ധാന്യം പൊടിക്കുക, തുണി നൂൽക്കുക, നെയ്യുക തുടങ്ങി പല പല ഉപയോഗങ്ങൾ. പക്ഷേ, അത് കാര്യക്ഷമമല്ലായിരുന്നു. ബ്രിട്ടനുമായുള്ള യുദ്ധത്തിനു ശേഷം നൂതന എഞ്ചിനുകൾ ഫ്രാൻസിലേക്ക് ഇറക്കുമതി ചെയ്തത്, ഫ്രഞ്ച് ഡിസൈൻ എത്രത്തോളം പിന്നിലാണെന്ന് കാർനോ മനസ്സിലാക്കാനിടയാക്കി. ഔപചാരികമായ ശാസ്‌ത്രീയ വിദ്യാഭ്യാസം ലഭിക്കാത്ത ഏതാനും എഞ്ചിനീയർമാരുടെ പ്രതിഭയിലൂടെ ബ്രിട്ടീഷുകാർ ഇതുവരെ പുരോഗമിച്ചു എന്നത് അദ്ദേഹത്തെ അലോസരപ്പെടുത്തി. പ്രവർത്തിക്കുന്ന സമയത്തെ യഥാർത്ഥ സാഹചര്യങ്ങളിൽ പലതരത്തിലുള്ള എഞ്ചിനുകളുടെ കാര്യക്ഷമതയെക്കുറിച്ചുള്ള വിശ്വസനീയമായ ഡാറ്റയും ബ്രിട്ടീഷ് എഞ്ചിനീയർമാർ ശേഖരിക്കുകയും പ്രസിദ്ധീകരിക്കുകയും ചെയ്തിട്ടുണ്ടായിരുന്നു. സിംഗിൾ സിലിണ്ടർ, മൾട്ടിസിലിണ്ടർ എഞ്ചിനുകളുടെയും ആപേക്ഷിക ഗുണങ്ങളെക്കുറിച്ച് അവർ പ്രതിപാദിച്ചിട്ടുണ്ടായിരുന്നു
ഫ്രാൻസിൽ നീരാവിയുടെ അപര്യാപ്തമായ ഉപയോഗമാണ് ആവിയന്ത്രങ്ങളുടെ കാര്യക്ഷമതയില്ലായ്മയ്ക്ക് കാരണമായതെന്ന് കാർനോയ്ക്ക് ബോധ്യമായി. ആവി എഞ്ചിനുകളുടെ മെച്ചപ്പെട്ട രൂപകല്പനകളിൽ ഏർപ്പെട്ടു. നീരാവിയുടെ വികാസവും കംപ്രഷനും (expansion and compression) പ്രവൃത്തിയുടെ (work) ഉല്പാദനവും ഇന്ധന ഉപഭോഗവുമായി താരതമ്യം ചെയ്തുകൊണ്ട് ആവി എഞ്ചിനുകളുടെ കാര്യക്ഷമത മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള മാർഗ്ഗങ്ങൾ മറ്റ് പലരും പരിശോധിച്ചിരുന്നു. കാർനോ മറ്റൊരു രീതിയിൽ കൂടി ചിന്തിച്ചു. ഒരു എഞ്ചിൻ പരമാവധി എത്രത്തോളം കാര്യക്ഷമമാകും എന്നായിരുന്നു അദ്ദേഹം ചിന്തിച്ചത്. അതിനൊരു പരിധിയുണ്ടോ?
ഉത്തരം തേടി കാർനോ ഉത്തമമായ (ideal) ഒരു എഞ്ചിൻ സങ്കല്പിച്ചു. താപം പാഴാക്കാതെ പ്രവൃത്തിയാക്കി (work) മാറ്റാൻ കഴിയുന്ന ഒരു യന്ത്രം. ഈ ചിന്താ പരീക്ഷണത്തിലൂടെ, അദ്ദേഹം ആഴത്തിലുള്ള ഉൾകാഴ്ചയിൽ എത്തി: ‘ചൂട്’ കൂടിയ വസ്തുവിൽനിന്ന് ‘ചൂട്’ കുറഞ്ഞ വസ്തുവിലേക്ക് അതായത് ഉയർന്ന താപനിലയിൽ നിന്ന് താഴ്ന്ന താപനിലയിലേക്കാണ് സ്വാഭാവികമായി താപം ഒഴുകുന്നത്. അങ്ങനെ ചെയ്യുമ്പോൾ പ്രവൃത്തി ചെയ്യുവാനും കഴിയും. പക്ഷേ, ഇങ്ങനെ പ്രവൃത്തി ലഭിക്കുന്നതിന് ഒരു പരിധിയുണ്ടെന്നും കണ്ടെത്തി.
ഉയർന്ന നിരപ്പിൽനിന്ന് വെള്ളം താഴ്ന്ന നിരപ്പിലുള്ള ഒരു ജലചക്രത്തിൽ വീഴുമ്പോൾ അതിനു കറങ്ങാൻ ശക്തി നൽകുന്നതുപോലെ, ബോയിലറിൻ്റെ ഉയർന്ന താപനിലയിൽ നിന്ന് കണ്ടൻസറിൻ്റെ താഴ്ന്ന താപനിലയിലേക്ക് താപം ‘ഒഴുകുമ്പോൾ’ എഞ്ചിന് പ്രവർത്തിക്കാനുള്ള മോട്ടീവ് പവർ ഉല്പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്നുവെന്ന് അദ്ദേഹം കണ്ടെത്തി. സൃഷ്ടിക്കാനോ നശിപ്പിക്കാനോ കഴിയാത്ത ഒരു ദ്രവമാണ് താപം എന്നു കരുതി, കലോറിക് സിദ്ധാന്തത്തിൻ്റെ ചട്ടക്കൂടിനുള്ളിൽനിന്നാണ് കാർനോ ചിന്തിച്ചത് (അതിൽ അദ്ദേഹത്തിന് ചില സംശയങ്ങൾ ഉണ്ടായിരുന്നെങ്കിലും). ആ സങ്കല്പനം ശരിയല്ലായിരുന്നെങ്കിലും അദ്ദേഹം എത്തിച്ചേർന്ന നിഗമനങ്ങൾ പലതും ശരിയായിരുന്നു. പ്രത്യേകിച്ച് ആദർശവൽകരിച്ച എഞ്ചിൻ്റെ (ideal engine) കാര്യക്ഷമത അതിൻ്റെ ഏറ്റവും ചൂടേറിയതും തണുപ്പുള്ളതുമായ ഭാഗങ്ങളുടെ താപനിലയെ മാത്രം ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു എന്ന നിഗമനം. പരമാവധി കാര്യക്ഷമത (efficiency – ദക്ഷത എന്നാണ് സാങ്കേതിക പരിഭാഷ) എഞ്ചിനിലെ പ്രവർത്തന പദാർത്ഥത്തെ (നീരാവി അല്ലെങ്കിൽ മറ്റേതെങ്കിലും വാതകം) ആശ്രയിക്കുന്നില്ല. അതിനോടകം പ്രാമാണീകരിക്കപ്പെട്ട വാതകനിയമങ്ങൾ അദ്ദേഹത്തിൻ്റെ വിശകലനങ്ങൾക്ക് സഹായകരമായി. ഈ ആശയം പിന്നീട് തെർമോഡൈനാമിക്സിൻ്റെ രണ്ടാം നിയമം എന്നറിയപ്പെടുന്നതിന് അടിത്തറയായിത്തീർന്നു.
1824-ൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച ‘റിഫ്ലെക്‌ഷൻസ് ഓൺ ദി മോട്ടീവ് പവർ ഓഫ് ഫയർ ആൻഡ് ഓൺ മെഷിൻസ് ഫിറ്റഡ് ടു ഡവലപ് ദാറ്റ് പവർ’ (Reflections On The Motive Power Of Fire And On Machines Fitted To Develop That Power) എന്ന കൃതിയിൽ, കാർനോ ഈ പ്രക്രിയയുടെ സാരാംശം വിശദീകരിച്ചു. സാങ്കേതികമല്ലാത്ത ഒരു രചനയാണ് കാർനോ ലക്ഷ്യം വച്ചത്. അക്കാലത്ത് മറ്റുള്ളവർ ചെയ്തതുപോലെ മെക്കാനിക്കലായ വിശദാംശങ്ങളിലല്ല കാർനോ ഊന്നിയത്. അടിസ്ഥാന തത്ത്വങ്ങൾ കണ്ടെത്തി വിശദീകരിക്കയാണ് അദ്ദേഹം ചെയ്തത്.
ഈ കൃതി അക്കാദമി ഓഫ് സയൻസസിൽ ഔപചാരികമായി അവതരിപ്പിക്കുകയും ജേണലുകളിൽ അതിൻ്റെ അവലോകനം ഉണ്ടാകുകയും ചെയ്തിരുന്നു. പക്ഷേ, ഒരു പതിറ്റാണ്ടോളം കൃതി ഏതാണ്ട് പൂർണ്ണമായും അവഗണിക്കപ്പെട്ടു. 1834-ൽ ഒരു റോഡ് റയിൽ എഞ്ചിനീയറും ശാസ്ത്രകാരനുമായ എമിലെ ക്ലാപെയ്‌റോൺ (Emile Clapeyron) കാർനോയുടെ നിഗമനങ്ങൾ ഉദ്ധരിക്കുകയും വിപുലീകരിക്കുകയും ചെയ്തു. അതോടെ കാർനോയുടെ സംഭാവനകൾ ശാസ്ത്രലോകത്തിൻ്റെ ശ്രദ്ധയിലേക്ക് വന്നു. അവയുടെ പ്രാധാന്യം തിരിച്ചറിയുന്നതിലെ കാലതാമസത്തിനു നിരവധി ഘടകങ്ങൾ കാരണമായിരുന്നിരിക്കാം. രചനയുടെ പരിമിതമായ കോപ്പികൾ മാത്രമേ അച്ചടിച്ചിട്ടുണ്ടായിരുന്നുള്ളൂ. അതോടൊപ്പം അക്കാലത്ത് ശാസ്ത്രസാഹിത്യത്തിൻ്റെ വ്യാപനം മന്ദഗതിയിലായിരുന്നു, ഒരു നൂറ്റാണ്ടായി ആവി സാങ്കേതിക വിദ്യയുടെ നേതൃത്വം ഇംഗ്ലണ്ടിൽ കേന്ദ്രീകരിച്ചിരിക്കുമ്പോൾ ഫ്രാൻസിൽനിന്ന് ഇത്തരമൊരു കൃതി വരുമെന്ന് പൊതുവേ പ്രതീക്ഷിച്ചിരുന്നില്ല. പിന്നീട് ജർമ്മനിയിലെ റുഡോൾഫ് ക്ലോസിയസും (William Rudolf Clausius,1850) ബ്രിട്ടനിലെ വില്യം തോംസണും (William Thomson, പിന്നീട് കെൽവിൻ പ്രഭു, Lord Kelvin,1851) കാർനോയുടെ നിഗമനങ്ങൾ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തു.
1828-ൽ ‘പാരീസിലെ ആവി എഞ്ചിനുകളുടെ നിർമ്മാതാവ്’ എന്നാണ് കാർനോ സ്വയം വിശേഷിപ്പിച്ചത്. പക്ഷേ, ’തെർമോഡൈനാമിക്സിൻ്റെ പിതാവ്’ എന്ന വിശേഷണമാണ് അദ്ദേഹത്തിന് അന്വർത്ഥമാകുന്നത്. തെർമോഡൈനാമിക്സിൻ്റെ രണ്ടാം നിയമത്തിൻ്റെ അടിത്തറയും ആദ്യരൂപവും കാർനോയുടെ കണ്ടെത്തലുകളിലുൾപ്പെടുന്നു. ഒന്നാം നിയമത്തിൻ്റെ വേരുകളും നമുക്ക് കാർനോയുടെ രചനകളുടെ സൂക്ഷ്മവായനയിൽ കണ്ടെത്താനാവും.
ആൽബർട്ട് ഐൻസ്റ്റൈനെയാണ് ശാസ്ത്രത്തിലെ ചിന്താപരീക്ഷണങ്ങളുടെ ഉപജ്ഞാതാവായി പലപ്പോഴും പറയാറുള്ളത്. ചിന്താ പരീക്ഷണങ്ങൾ ഏറ്റവും സമർത്ഥമായും വിജയകരമായും ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിൽ പ്രയോഗിച്ചിട്ടുള്ളത് ഐൻസ്റ്റീൻ തന്നെയാണ്. എന്നാൽ അദ്ദേഹത്തിന് ഒരു നൂറ്റാണ്ടോളം മുമ്പ് കാർനോ അത് പ്രയോഗിക്കുകയും തെർമോഡൈനാമിക്സിലെ സാധുവായ നിഗമനങ്ങളിലേക്ക് എത്തുകയും ചെയ്തിരുന്നു എന്നതാണ് വസ്തുത.
ഒന്നാം നിയമം: ഊർജ സംരക്ഷണതത്ത്വം
പത്തൊൻപതാം നൂറ്റാണ്ടിൽ ജീവിച്ചിരുന്ന ശാസ്ത്രത്തോടുള്ള അഭിനിവേശമുള്ള ബ്രിട്ടീഷുകാരനായ ഒരു ബ്രൂവർ, അതായത് മദ്യനിർമ്മാതാവ് ആയിരുന്നു ജെയിംസ് പ്രെസ്‌കോട്ട് ജൂൾ (James Prescott Joule). കാർനോ പരീക്ഷണങ്ങൾക്കു ശേഷം കാലം വീണ്ടും മുന്നോട്ട് പോയപ്പോൾ, ജൂൾ സമർത്ഥമായ പരീക്ഷണങ്ങളുടെ ഒരു പരമ്പര തന്നെ നടത്തി. താപവും പ്രവൃത്തിയും തമ്മിലുള്ള ബന്ധം വെളിവാക്കുന്നതായിരുന്നു പരീക്ഷണങ്ങൾ. ഒരു പാഡൽ (paddle) ഉപയോഗിച്ച് തുടർച്ചയായി ഇളക്കിയപ്പോൾ ഒരു പാത്രത്തിലെ വെള്ളം അല്പം ചൂടുപിടിച്ചതായി ജൂൾ നിരീക്ഷിച്ചു. ഇത് വളരെ വിചിത്രമായി അദ്ദേഹത്തിനു തോന്നി. കാരണം എല്ലാത്തിനുമുപരി, ചൂട് ഒരു ദ്രവമാണെന്നായിരുന്നു അന്ന് നിലനിന്നിരുന്ന ധാരണ. പക്ഷേ, ജൂൾ നിരാശനായില്ല. പാഡൽ കൊണ്ട് ഇളക്കുമ്പോൾ നടക്കുന്ന പ്രവൃത്തി ചൂടായി മാറുകയാണെന്ന് അദ്ദേഹം നിഗമനം ചെയ്തു. താപം പ്രവൃത്തിയായി മാറുന്നത് മുമ്പ് തന്നെ മനസ്സിലായിരുന്നല്ലോ.
ഏതാണ്ട് അതേസമയം, ഹെർമൻ വോൺ ഹെംഹോൾട്ട്സ് (Hermann von Helmholtz) എന്ന ജർമ്മൻ ശാസ്ത്രജ്ഞൻ സമാനമായ രീതിയിൽ ചിന്തിച്ചു. ഊർജം സൃഷ്ടിക്കാനോ നശിപ്പിക്കാനോ കഴിയില്ലെന്നും ഒരു രൂപത്തിൽനിന്ന് മറ്റൊന്നിലേക്ക് രൂപാന്തരപ്പെടുകയേ ഉള്ളൂവെന്നും അദ്ദേഹം മനസ്സിലാക്കി. ഈ ഉൾക്കാഴ്ച തെർമോഡൈനാമിക്സിൻ്റെ ആദ്യ നിയമം എന്നറിയപ്പെടുന്നു, ഇത് എല്ലാ ഭൗതികപ്രതിഭാസങ്ങളെയും നിയന്ത്രിക്കുന്ന അടിസ്ഥാന തത്ത്വമാണ്.
ക്ലോസിയസും കെൽവിനും: എൻട്രോപ്പിയുടെ പ്രയാണം
തെർമോഡൈനാമിക്സിൻ്റെ കഥ അവിടെ അവസാനിച്ചില്ല. 1850-കളിൽ, റുഡോൾഫ് ക്ലോസിയസ് എന്ന ജർമ്മൻ ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞൻ കാർനോയുടെ ആശയങ്ങൾ സ്വീകരിച്ച് മുന്നോട്ട് പോയി. അദ്ദേഹം ഒരു പുതിയ ആശയം അവതരിപ്പിച്ചു: എൻട്രോപ്പി, ഒരു സിസ്റ്റത്തിലെ ‘ക്രമരാഹിത്യത്തിന്റെ’ (disorder or randomness) അളവുകോൽ എന്ന് പ്രാഥമികമായി പറയാം. (കുറെക്കൂടി കൃത്യമായി മനസ്സിലാക്കേണ്ട ഒരു സങ്കല്പനമാണ് എൻട്രോപി. ലൂക്ക@സ്കൂളിൽ ഡോ. വി. ശശിദേവൻ എഴുതിയ ലേഖനം കാണുക.) ഏതൊരു സ്വാഭാവിക പ്രക്രിയയിലും ഒരു സിസ്റ്റത്തിൻ്റെയും അതിൻ്റെ ചുറ്റുപാടുകളുടെയും മൊത്തം എൻട്രോപ്പി വർദ്ധിക്കുന്നതായി ക്ലോസിയസ് വ്യക്തമാക്കി. മറ്റൊരു വിധത്തിൽ പറഞ്ഞാൽ, പ്രപഞ്ചം എല്ലായ്‌പോഴും കൂടുതൽ ക്രമരഹിതമായിക്കൊണ്ടിരിക്കുകയാണ്. ശാസ്ത്രത്തിലും തത്ത്വചിന്തയിലും ഒരുപോലെ പ്രതിധ്വനിക്കുന്ന ഒരു ആശയമാണിത്.
കേവല പൂജ്യം
പിന്നീട് ലോർഡ് കെൽവിൻ എന്നറിയപ്പെട്ട, സ്കോട്ടിഷ് ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ വില്യം തോംസൺ, അതേസമയം കേവല പൂജ്യം താപനിലയെക്കുറിച്ച് ചിന്തിക്കുകയായിരുന്നു. ആ അവസ്ഥയിൽ ഒരു സിസ്റ്റത്തിന് താപോർജം അവശേഷിക്കുന്നില്ല. കെൽവിൻ്റെ അന്വേഷണങ്ങൾ കേവല താപനില സ്കെയിൽ സ്ഥാപിക്കാൻ സഹായിക്കുകയും തെർമോഡൈനാമിക്സിൻ്റെ രണ്ടാം നിയമം കൂടുതൽ ദൃഢമാക്കുകയും ചെയ്തു.
നേൺസ്റ്റും കേവല പൂജ്യത്തിനായുള്ള അന്വേഷണവും
ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിൻ്റെ തുടക്കത്തിൽ, ശാസ്ത്രജ്ഞർ താപത്തിൻ്റെ ഏറ്റവും താഴ്ന്ന നിലയിലേക്ക് എത്താനാവുമോ എന്ന പര്യവേക്ഷണം നടത്തി. ഒരു സിസ്റ്റം കേവലപൂജ്യത്തിലേക്ക് അടുക്കുമ്പോൾ എന്ത് സംഭവിക്കുമെന്ന് ഒരു ജർമ്മൻ രസതന്ത്രജ്ഞനായ വാൾതർ നേൺസ്റ്റ് (Walther Nernst) ആശ്ചര്യപ്പെട്ടു. താപനില കുറയുന്നതിനനുസരിച്ച് എൻട്രോപ്പിയും കുറയുന്നു, കേവല പൂജ്യത്തിൽ, എൻട്രോപ്പി ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ തലത്തിലെത്തുമെന്ന് അദ്ദേഹം കണ്ടെത്തി. ഈ ഉൾക്കാഴ്ച തെർമോഡൈനാമിക്സിൻ്റെ മൂന്നാം നിയമമായി മാറി. താപ ലോകത്തെ നിയന്ത്രിക്കുന്ന തത്ത്വങ്ങളുടെ ത്രിമൂർത്തികൾ അങ്ങനെ പൂർത്തിയായി.
ബോൾട്ട്സ്മാൻ്റെ ധീരമായ ആശയം : സൂക്ഷ്മലോകവും എൻട്രോപ്പിയും
ഈ മഹത്തായ നിയമങ്ങൾ രൂപപ്പെടുത്തുമ്പോൾ ലുഡ്‌വിഗ് ബോൾട്ട്സ്മാൻ (Ludwig Boltzmann) എന്ന ഓസ്ട്രിയൻ ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞൻ സൂക്ഷ്മലോകത്തിലേക്ക് ഉറ്റുനോക്കുകയായിരുന്നു. ആറ്റങ്ങളുടെയും തന്മാത്രകളുടെയും സ്വഭാവം തെർമോഡൈനാമിക്സിൻ്റെ മാക്രോസ്കോപ്പിക് നിയമങ്ങളെ വിശദീകരിക്കുമെന്ന് ബോൾട്ട്സ്മാൻ വിശ്വസിച്ചു. ഒരു സിസ്റ്റത്തിൻ്റെ മാക്രോസ്കോപ്പിക് അവസ്ഥയുമായി (macroscopic state of a system) പൊരുത്തപ്പെടുന്ന മൈക്രോസ്കോപ്പിക് കോൺഫിഗറേഷനുകൾ എത്രയുണ്ട് എന്നതിനെ ആശ്രയിക്കുന്ന ഒന്നാണ് എൻട്രോപ്പി എന്നായിരുന്നു അദ്ദേഹത്തിൻ്റെ നിഗമനം. മറ്റൊരു വിധത്തിൽ പറഞ്ഞാൽ, ഒരു സിസ്റ്റത്തെ ഒരവസ്ഥയിൽ കൂടുതൽ രീതികളിൽ സൂക്ഷ്മതലത്തിൽ വിന്യസിക്കാൻ കഴിയുമെങ്കിൽ, അതിൻ്റെ എൻട്രോപി ഉയർന്നതാവും. അക്കാലത്ത് ആശയങ്ങൾ വിവാദപരമായിരുന്നെങ്കിലും ബോൾട്ട്സ്മാൻ്റെ ആശയങ്ങൾ പിന്നീട് ആധുനിക ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിൻ്റെ ആണിക്കല്ലായി മാറി.
ഗിബ്‌സും കെമിസ്ട്രിയിലേക്കുള്ള വികാസവും
ഏതാണ്ട് അതേ സമയം, ജോസിയ വില്ലാർഡ് ഗിബ്സ് (Josiah Willard Gibbs) എന്ന അമേരിക്കൻ ശാസ്ത്രജ്ഞൻ ഈ ആശയങ്ങൾ രസതന്ത്രത്തിൽ പ്രയോഗിക്കുകയായിരുന്നു. തെർമോഡൈനാമിക്സിൻ്റെ തത്ത്വങ്ങളെ അടിസ്ഥാനമാക്കി രാസപ്രവർത്തനങ്ങൾ എങ്ങനെ സംഭവിക്കുമെന്ന് പ്രവചിക്കാൻ ഗിബ്സ് ഒരു മാർഗം വികസിപ്പിച്ചെടുത്തു. അദ്ദേഹത്തിൻ്റെ പ്രവർത്തനങ്ങൾ രസതന്ത്രത്തിൻ്റെ മേഖലയിലേക്ക് തെർമോഡൈനാമിക്സിൻ്റെ വ്യാപനം വിപുലീകരിച്ചു, എന്തുകൊണ്ടാണ് ഐസ് ഉരുകുന്നത് മുതൽ ബാറ്ററികൾ എങ്ങനെയാണ് പ്രവർത്തിക്കുന്നതു വരെ എല്ലാം മനസ്സിലാക്കാൻ സഹായിക്കുന്നു.
തെർമോ ഡൈനാമിക്സിൻ്റെ പാരമ്പര്യം
ഇന്ന്, തെർമോഡൈനാമിക്സ് നിയമങ്ങൾ ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിൻ്റെ തത്ത്വങ്ങൾ മാത്രമല്ല; അവ പ്രകൃതിയുടെ ഭാഷയാണ്. ഊർജം എങ്ങനെ പ്രവഹിക്കുന്നു, സിസ്റ്റങ്ങൾ എങ്ങനെ പരിണമിക്കുന്നു, ചില പ്രക്രിയകൾ വിപരീത ദിശയിൽ മാറ്റാനാവാത്തത് എന്തുകൊണ്ട് എന്നൊക്ക അവ വിശദീകരിക്കുന്നു. വ്യാവസായിക വിപ്ലവത്തെ ശക്തിപ്പെടുത്തുന്നത് മുതൽ നക്ഷത്രങ്ങളുടെ ആന്തരിക പ്രവർത്തനങ്ങളെ വിശദീകരിക്കുന്നതു വരെ, നമ്മുടെ ലോകത്തെ രൂപപ്പെടുത്തുന്ന അടിസ്ഥാന ശക്തികളെ മനസ്സിലാക്കാനുള്ള നമ്മുടെ അന്വേഷണത്തിൻ്റെ കഥയാണ് തെർമോഡൈനാമിക്സിൻ്റെ കഥ.
അങ്ങനെ, താപം ഒരു നിഗൂഢ ദ്രാവകം എന്ന ആശയത്തിൽ ആരംഭിച്ച യാത്ര ഊർജം, എൻട്രോപ്പി, പ്രപഞ്ചത്തിൻ്റെ സ്വഭാവം എന്നിവയെക്കുറിച്ചുള്ള ആഴത്തിലുള്ള ധാരണയിൽ എത്തിനിൽക്കുന്നു. ഇന്നും ശാസ്ത്രജ്ഞരെ പ്രചോദിപ്പിക്കുന്ന ഒരു കഥ.
റഫറൻസുകൾ
- Gregory S. Girolami, A Brief History of Thermodynamics, As Illustrated by Books and People, Journal of Chemical & Engineering Data 2020 65 (2), 298-311. DOI: 10.1021/acs.jced.9b00515
- Hołyst, R., Poniewierski, A. (2012). Historical Introduction. In: Thermodynamics for Chemists, Physicists and Engineers. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/978-94-007-2999-5_1
- Herman Erlichson, Sadi Carnot, ‘Founder of the Second Law of Thermodynamics’, Eur. J. Phys. 20 (1999) 183–192.
Leave a Reply