തെർമോഡൈനാമിക്സിലെ ഒന്നാം നിയമം: ലാഭനഷ്ടങ്ങൾ തുല്യമാകും

---

ജയിക്കാൻ കഴിയില്ല, നമുക്ക് സമനിലയിൽ പിരിയാൻ നോക്കാം. ഇംഗ്ലീഷിൽ ‘You can’t win, you can only break even’ എന്നാണ് പറയുന്നത്. ജിൻസ്ബെർഗ് തിയറത്തിൽ നിന്നാണ് വാചകം. തെർമോഡൈനാമിൿസ് നിയമങ്ങളുടെ   ഒരു ഭാവാർത്ഥവിവരണമായാണ് (paraphrasing) തിയറത്തെ കണക്കാക്കാറുള്ളത്. ‘No lunch is free’ എന്നും പറയാറുണ്ട്. അതായത് ഭക്ഷണം സൗജന്യമല്ല എന്ന്. ആലങ്കാരികമായി മുൻപറഞ്ഞ രീതിയിലൊക്കെ നമുക്ക് തെർമോഡൈനാമിക്സിൻ്റെൻ ഒന്നാം നിയമം പ്രകാശിപ്പിക്കാം. യഥാർത്ഥത്തിൽ ഊർജസംരക്ഷണനിയമം തന്നെയാണത്. ഊർജത്തെ സൃഷ്ടിക്കാനോ നശിപ്പിക്കാനോ കഴിയില്ല, മറിച്ച് ഒരു രൂപത്തിൽ നിന്ന് മറ്റൊന്നിലേക്ക് പരിവർത്തനം ചെയ്യാൻ മാത്രമേ കഴിയൂ. ആർക്കെങ്കിലും പെട്ടെന്ന് ലഭിച്ച വെളിപാടൊന്നുമല്ല ഇത്. ആവിഷ്കർത്താക്കളും എഞ്ചിനീയർമാരും ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞരും പല നൂറ്റാണ്ടുകളിലൂടെ  നടത്തിയ അന്വേഷണങ്ങളും പരീക്ഷണങ്ങളുമാണ് ഈ നിയമത്തിന് വ്യക്തത നൽകിയത്.  

സൃഷ്ടിയോ നാശമോ ഇല്ലാത്തത് 

തെർമോഡൈനാമിക്സ് എന്ന വിജ്ഞാനശാഖയുടെ ശാസ്ത്രീയരൂപീകരണം നടക്കുന്നത് പത്തൊൻപതാം നൂറ്റാണ്ടിലാണ്. അതിനൊക്കെ വളരെ മുമ്പ് തന്നെ ഇത്തരം ചിന്തകളുടെ സ്ഫുരണങ്ങൾ മനുഷ്യസംസ്കാരങ്ങളിൽ കാണാൻ കഴിയും.  ഉദാഹരണമായി ബി. സി. ഇ. അഞ്ചാം നൂറ്റാണ്ടിൽ, എംപെഡോക്കിൾസിനെ (Empedocles) പോലുള്ള പുരാതന ഗ്രീക്ക് തത്വചിന്തകർ ദ്രവ്യത്തിന്റെയും ഊർജത്തിന്റെയും സ്വഭാവത്തെക്കുറിച്ച് ചിന്തിച്ചു. ഒന്നും യഥാർത്ഥത്തിൽ സൃഷ്ടിക്കാനോ നശിപ്പിക്കാനോ കഴിയില്ലെന്നായിരുന്നു അനുമാനം. പ്രപഞ്ചത്തിൻ്റെൻ അടിസ്ഥാനമായി നാല് മൂലകപദാർത്ഥങ്ങൾ ആണുള്ളത്, അവ രൂപാന്തരപ്പെടുന്നു, പക്ഷേ അപ്രത്യക്ഷമാകില്ല എന്നായിരുന്നു അക്കാലത്തെ ചിന്തയുടെ അടിസ്ഥാനം. നമ്മുടെ കണാദൻ്റെ ‘പരമാണു’വും നാശമില്ലാത്തത് ആയിരുന്നു. ഇത്തരം ആശയങ്ങൾ സയൻസിൻ്റെ രീതിയിൽ ഉണ്ടായതല്ല. നേരെ മറിച്ച് തത്വചിന്താപരമായ അനുമാനങ്ങൾ മാത്രമായിരുന്നു. പക്ഷേ ഭാവിയിലെ കണ്ടെത്തലുകളുടെ ആശയപരമായ അടിത്തറ അവയിൽ കാണാം. 

ശാശ്വതചലനം (perpetual motion) 

ഒന്നാം നിയമത്തെക്കുറിച്ച് പറയുമ്പോൾ ശാശ്വതചലനയന്ത്രങ്ങളെക്കുറിച്ചും പറയേണ്ടതുണ്ട്. ഇന്നേവരെ മനുഷ്യന് നിർമ്മിക്കാൻ കഴിഞ്ഞിട്ടില്ലാത്ത, ഇനി നിർമ്മിക്കാൻ ഒട്ടുമേ സാദ്ധ്യതയില്ലാത്ത, സങ്കല്പിക യന്ത്രങ്ങളാണിവ. അവയുടെ പലതരത്തിലുള്ള രൂപകല്പനകളും അവകാശവാദങ്ങളുമൊക്കെ ഉണ്ടായിട്ടുണ്ട്. രണ്ടോ മൂന്നോ വിഭാഗങ്ങളായി ഇത്തരം യന്ത്രങ്ങൾ സങ്കല്പിക്കപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്. അവയിൽ ഒന്നാമത്തെ വിഭാഗത്തെക്കുറിച്ചാണ് ഇവിടെ  ചർച്ച ചെയ്യാനുള്ളത്. പ്രയത്നം കൂടാതെ  പ്രവൃത്തിയെടുക്കുന്ന യന്ത്രമെന്ന് സാധാരണഭാഷയിൽ പറയാം. അതായത് പുറത്തെ സ്രോതസ്സിൽ നിന്ന് ഊർജം സ്വീകരിക്കാതെ പ്രവർത്തിക്കാൻ കഴിയുന്ന യന്ത്രം. ഈ ആശയം നൂറ്റാണ്ടുകളായി തത്ത്വചിന്തകരെയും നൂതനാവിഷ്ക്കാരതല്പരരെയും  ശാസ്ത്രജ്ഞരെയും ആകർഷിച്ചിട്ടുണ്ട്. തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ ഔപചാരിക വികാസത്തിന് മുമ്പ്, ബാഹ്യ ഊർജസ്രോതസ്സില്ലാതെ നിരന്തരമായി പ്രവർത്തിക്കാൻ കഴിയുന്ന യന്ത്രങ്ങൾ രൂപകൽപ്പന ചെയ്യാൻ പലരും ശ്രമിച്ചു. അങ്ങനെയൊന്നുണ്ടായിരുന്നെങ്കിൽ എത്ര നന്നായേനെ! കാർബൺ വികിരണവും കാലാവസ്ഥാവ്യതിയാനവും വായുമലിനീകരണവുമെല്ലാം പഴങ്കഥകളായി മാറുമായിരുന്നു. 

ഭാസ്കരയുടെ ചക്രം

ശാശ്വതചലനയന്ത്രത്തിൻറെ, ചരിത്രരേഖകളിലുള്ള, ആദ്യരൂപകല്പന പന്ത്രണ്ടാം നൂറ്റാണ്ടിൽ ഇൻഡ്യയിലാണ് സംഭവിച്ചത്. ഗണിതജ്ഞനായ ഭാസ്കര രണ്ടാമൻ (ഏകദേശം സി ഇ 1150)  അല്പം വളഞ്ഞ, പൊള്ളയായ ഉൾഭാഗമുള്ള ഒരു കറങ്ങുന്ന ചക്രം രൂപകൽപ്പന ചെയ്തു. മെർക്കുറി പോലെ ഒരു ദ്രാവകം കൊണ്ട് ഭാഗികമായി ഇത് നിറച്ചിട്ടുണ്ടാവും. ചക്രത്തിൻറെ  റിമ്മിന് ചുറ്റും  സിലിണ്ടർ രൂപത്തിലുള്ള ചരിഞ്ഞ കുപ്പികൾ ഒരേ അകലത്തിൽ ഘടിപ്പിച്ചിട്ടുള്ള മറ്റൊരു രൂപകൽപ്പനയും ഭാസ്കരയുടേതായി രേഖപ്പെടുത്തപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്. കുപ്പികൾ ഭാഗികമായി ഒരു ദ്രാവകം നിറഞ്ഞതാവണം. ചക്രം തിരിയുമ്പോൾ, ദ്രാവകം ചലിക്കുകയും  തുടർച്ചയായ അസന്തുലിതാവസ്ഥ സൃഷ്ടിക്കുകയും, തൽഫലമായി ചക്രം അനന്തമായി കറങ്ങുമെന്നുമായിരുന്നു ആശയം. പക്ഷേ തുടർച്ചയായി ഒരു ദിശയിൽ അസന്തുലിതാവസ്ഥ സ്വയം സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുക എന്നത് അസംഭവ്യമാണ്. ഗുരുത്വാകർഷണം സമതുലിതമാകുന്ന ദിശയിലാവും ചക്രം കറങ്ങുക. സമതുലിതമാവുമ്പോൾ കറക്കം നിലക്കേണ്ടതാണ്. ബാഹ്യഇടപെടലുകൾ ഇല്ലെങ്കിൽ ദോലനം (oscillate) ചെയ്ത് നിശ്ചലമാവും. പുറമേ നിന്ന് ബലം പ്രയോഗിച്ച് ചലനം തുടങ്ങിയാലും, (ആന്തരികമായ അസന്തുലിതാവസ്ഥ കൊണ്ട് ചലനം തുടങ്ങിയാലും)  ഘർഷണവും വായു പ്രതിരോധവും ചക്രത്തെ നിശ്ചലമാക്കുമെന്നത് വേറേ കാര്യം.

ഹോൺകോർട്ടിന്റെ ഓവർബാലൻസ്ഡ് വീൽ:

പതിമൂന്നാം നൂറ്റാണ്ടിലെ ഫ്രഞ്ച്, വാസ്തുശില്പിയും മാസ്റ്റർ മേസണുമായ വില്ലാർഡ് ഡി ഹോൺകോർട്ട് (Villard de Honnecourt) തുടർച്ചയായ ഭ്രമണം ലക്ഷ്യമിട്ട് ഹിഞ്ച്ഡ് ലിവറുകളും ഭാരങ്ങളും ആശ്രയിക്കുന്ന സ്വയം തിരിയുന്ന ഒരു ചക്രം രൂപകല്പന ചെയ്തു (ഏകദേശം 1230) . അദ്ദേഹത്തിൻറെ ‘സ്കെച്ച് ബുക്കിൽ’ ചിത്രം ആലേഖനം ചെയ്തിട്ടുണ്ട്. ആരക്കാലുകളിൽ ഘടിപ്പിച്ച ചെറിയ ഭാരവസ്തുക്കളുടെ സ്‌ഥാനം മാറുകയും തുടർച്ചയായ അസന്തുലിതാവസ്ഥ സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുകയും ചെയ്യുന്നതാണ് ഇവിടെയും സ്വീകരിച്ചിരുന്ന ആശയം.  ഘർഷണത്താൽ ഊർജനഷ്ടം സംഭവിക്കുന്നതിനാലും ഗുരുത്വാകർഷണനിയമങ്ങൾക്ക് വിരുദ്ധമായതിനാലും ഇത് നിർമ്മിക്കാനുള്ള ശ്രമങ്ങളും പരാജയമായി. 

നവോത്ഥാനകാലത്തെ യൂറോപ്പിലെ വിവിധ രൂപകൽപ്പനകൾ:

നവോത്ഥാനകാലത്ത്, പതിനാറ് പതിനേഴ് നൂറ്റാണ്ടുകളിൽ കോർണലിസ് ഡ്രെബൽ (Cornelis Drebbel), റോബർട്ട് ഫ്ലഡ് (Robert Fludd), ജോഹാൻ ബെസ്ലർ (Johann Bessler) തുടങ്ങിയ നിരവധി അന്വേഷകർ ശാശ്വത ചലന യന്ത്രങ്ങളുടെ വിവിധരൂപകല്പനകൾ നടത്തി. ബെസ്ലർ പ്രവർത്തനക്ഷമമായ അത്തരമൊരു യന്ത്രം നിർമ്മിച്ചതായി അവകാശപ്പെട്ടു. പക്ഷേ അതിന്റെ യന്ത്രഘടനാസംവിധാനം വെളിപ്പെടുത്തിയിരുന്നില്ല. പ്രയത്നം കൂടാതെ ഊർജം സൃഷ്ടിക്കുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിച്ചിരുന്ന ഉപകരണങ്ങളുടെ നിരവധി ചിത്രങ്ങൾ ലിയോനാർഡോ ഡാവിഞ്ചി വരച്ചിട്ടുണ്ട്. ഡാവിഞ്ചി പൊതുവെ അത്തരം ഉപകരണങ്ങൾക്ക് എതിരായിരുന്നു, പക്ഷേ അദ്ദേഹം നിരവധി ഓവർബാലൻസ്ഡ് ചക്രങ്ങൾ രൂപകല്പന ചെയ്ത് പരിശോധിച്ചു.

ശാസ്ത്രീയ വെല്ലുവിളികളുടെ ഉദയം:

പിൽക്കാലത്ത് ശാസ്ത്രീയ രീതികൾ പുരോഗമിച്ചതോടെ,  നിരന്തരചലനത്തെക്കുറിച്ചുള്ള സന്ദേഹങ്ങൾ വളർന്നു. ഘർഷണവും വായുപ്രതിരോധവും കാരണം മെക്കാനിക്കൽ സിസ്റ്റങ്ങൾക്ക് എല്ലായ്പ്പോഴും ഊർജം നഷ്ടപ്പെടുമെന്ന് ലിയോൺഹാർഡ് യൂളർ (Leonhard Euler), ജോസഫ്-ലൂയിസ് ലഗ്രാഞ്ച് (Joseph-Louis Lagrange) തുടങ്ങിയ ഗണിതശാസ്ത്രജ്ഞരും ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞരും തെളിയിച്ചു. പത്തൊൻപതാം നൂറ്റാണ്ടിൽ തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ ഒന്നാം നിയമത്തിന്റെ വികാസത്തോടൊപ്പം ശാശ്വതചലനത്തിൻറെ പതനവും പൂർത്തിയായി. പ്രയത്നമില്ലാതെ, ബാഹ്യസ്രോദസ്സിൽ നിന്ന് ഊർജം സ്വീകരിക്കാതെ, ഉപയോഗപ്രദമായ പ്രവൃത്തി ലഭിക്കാൻ വേണ്ടിയുള്ള അന്വേഷണങ്ങൾ വൃഥാവായി. പക്ഷെ ആ പരിശ്രമങ്ങൾ അങ്ങനെയൊന്ന് സാധ്യമല്ലെന്ന നിയമത്തിലേക്കെത്താൻ പരോക്ഷമായി സഹായിച്ചു.   

ചലന സംരക്ഷണം: റെനെ ദെക്കാർത്ത് 

ആധുനിക യുക്തിചിന്തയ്ക്ക് അടിത്തറയിടുകയും തത്വചിന്തയെയും സയൻസിനെയും സ്വാധീനിക്കുകയും ചെയ്ത ഫ്രഞ്ച് ഗണിതശാസ്ത്രജ്ഞനും തത്വചിന്തകനുമാണ് റെനെ ദെക്കാർത്ത്  (Rene Descartes). പതിനേഴാം നൂറ്റാണ്ടിണ്ടിൽ ദക്കാർത്ത് ഭൗതിക പ്രതിഭാസങ്ങളെ പൂർണ്ണമായും യാന്ത്രിക തത്വങ്ങളിലൂടെ (mechanistic principles) വിശദീകരിക്കാക്കാൻ ശ്രമിച്ചു. വിശാലമായ ഭൗതികതത്വചിന്തയുടെ ഭാഗമായി ചലനത്തെക്കുറിച്ച് ചില സിദ്ധാന്തങ്ങൾ അദ്ദേഹം ആവിഷ്കരിച്ചിട്ടുണ്ട്. ചലന സംരക്ഷണം എന്ന ആശയം ദെക്കാർത്തിൻറെ ചിന്തകളിൽ കാണാം. ഒരു അടഞ്ഞ സിസ്റ്റത്തിലെ (closed system) ആകെ ചലനത്തിന്റെ അളവ് സ്ഥിരമായി തുടരുന്നു എന്നാതാണ് അടിസ്ഥാനപരമായ ആശയം.(കൂടുതൽ കൃത്യമായി ഒറ്റപ്പെട്ടതെന്ന് (isolated system) തന്നെ പറയണം.)  പ്രപഞ്ചത്തിലെ മൊത്തം ചലനം സ്ഥിരമായി തുടരുന്നു എന്ന് അത് സൂചിപ്പിക്കുന്നു. ഒരു സിസ്റ്റത്തിലെ ചലനത്തിന്റെ അളവ് സൃഷ്ടിക്കാനോ നശിപ്പിക്കാനോ കഴിയില്ല, കൂട്ടിയിടികളിൽ വസ്തുക്കൾക്കിടയിൽ കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടുക മാത്രമേയുള്ളൂ. ഈ “ചലനത്തിന്റെ അളവ്” ഒരു വസ്തുവിന്റെ പിണ്ഡത്തിന്റെയും (mass) അതിന്റെ വേഗതയുടെയും (velocity ) ഉൽപ്പന്നമായി അദ്ദേഹം നിർവചിച്ചു. ആധുനിക പദാവലിയിൽ ഇത് മൊമൻറം (momentum) അഥവാ ആക്കം ആണ്.  

സ്ഥിരമായ ‘വിസ് വിവ’

ഏതാണ്ട് അതേ കാലയളവിൽ, ജർമ്മൻ വൈജ്ഞാനികനായ ഗോട്ട്ഫ്രൈഡ് വിൽഹെം ലീബ്നിസ് (Gottfried Wilhelm Leibniz) ഗതികോർജത്തെക്കുറിച്ചുള്ള (kinetic energy) ആദ്യകാല ധരണയായ  ‘വിസ് വിവ’ (vis viva) അഥവാ living force ഗണിതാടിസ്ഥാനത്തിൽ നിർവചിച്ചു. കൈനറ്റിക്  എനർജിയുടെ ആധുനിക ഫോർമുലയോട് സമാനമാണ് ഇത്. ½ ഘടകത്തിൻ്റെ അഭാവമുണ്ടെന്നേയുള്ളൂ. ( vis viva = mv², kinetic energy =  ½ mv²)

ഭൗതികസിസ്റ്റങ്ങളിൽ മൊത്തം ‘വിസ് വിവ’  സ്ഥിരമാണെന്നായിരുന്നു അദ്ദേഹത്തിൻറെ സിദ്ധാന്തം. അതായത് ഘടകവസ്തുക്കളുടെ (constituent bodies) ആകെ ‘ വിസ് വിവ’ സ്ഥിരമായിരിക്കും. എന്നാൽ ഒന്നിൽ നിന്ന് മറ്റൊന്നിലേക്ക് കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടാം. അങ്ങനെ ഊർജ സംരക്ഷണത്തെക്കുറിച്ചുള്ള ആധുനിക ധാരണയിലേക്ക് ഒരു ചുവട് കൂടി അടുത്തു. എങ്കിലും, ഒരു സമഗ്ര സിദ്ധാന്തം അവ്യക്തമായി തുടർന്നു.

ശരീരശാസ്ത്രത്തിൽ നിന്ന് 

പത്തൊൻപതാം നൂറ്റാണ്ടിലെ ജർമ്മൻ ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനും, രസതന്ത്രജ്ഞനും, ഭിഷഗ്വരനുമായിരുന്ന ജൂലിയസ് റോബർട്ട് വോൺ മേയർ(Julius Robert von Mayer) ശരീരശാസ്ത്ര നിരീക്ഷണങ്ങളെ അടിസ്ഥാനമാക്കി 1842 – ൽ ഊർജസംരക്ഷണ നിയമം മുന്നോട്ടു വച്ചു. ജീവജാലങ്ങളുടെ ഊർജത്തിന്റെ പ്രാഥമിക ഉറവിടമായി ഓക്സീകരണത്തെ വിശേഷിപ്പിച്ചു. സസ്യങ്ങൾ പ്രകാശത്തെ രാസ ഊർജമാക്കി (ഇപ്പോഴത്തെ പദാവലിയിൽ chemical potential എന്നാണ് പറയാറുള്ളത് ) മാറ്റുന്നുവെന്നും അദ്ദേഹം അനുമാനം നടത്തി. ഉപാപചയ പ്രവർത്തനങ്ങൾ, ശരീര താപവുമായും പ്രവൃത്തിയുമായും  ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നുവെന്നും  അദ്ദേഹം ശ്രദ്ധിച്ചു. ഉഷ്ണമേഖലാ കാലാവസ്ഥയിൽ മനുഷ്യരുടെ വെയിനുകളിലെ (vein) രക്തം ശൈത്യപ്രദേശങ്ങളുള്ളതിനേക്കാൾ അല്പം ഇളം നിറത്തിലാണെന്ന്  അദ്ദേഹം മനസ്സിലാക്കി. ഇൻഡോനേഷ്യയിലേക്കുള്ള ഒരു കപ്പൽ യാത്രയിൽ ചികിത്സയുടെ ഭാഗമായി അക്കാലത്തും ഉപേക്ഷിക്കപ്പെട്ടിട്ടില്ലായിരുന്ന രക്തം ചൊരിയൽ (bloodletting) രീതിയിൽ നിന്നാണ് ഈ നിരീക്ഷണം നടത്തിയതെന്നത് കൗതുകകരമായ മറ്റൊരു കാര്യം. ശരീരോഷ്മാവ് നിലനിർത്താൻ ശൈത്യനാടുകളിൽ വേണ്ടതിനേക്കാൾ കുറഞ്ഞ ഓക്സിജന്റെ ആവശ്യകതയും ഉപഭോഗവുമാണ് ഈ വ്യതിയാനത്തിന് കാരണമെന്ന് മേയർ കരുതി. ഇത്തരം നിരീക്ഷണങ്ങളിൽ നിന്ന് ഊർജ്ജ സംരക്ഷണ തത്വത്തിലേക്ക് എത്തുകയും അവ ജീവജാലങ്ങളിലും പ്രയോഗക്ഷമമാണെന്ന് വ്യക്തമാക്കുകയും ചെയ്തു. വാതകങ്ങളിലെ പഠനങ്ങളിൽ നിന്ന് മെക്കാനിക്കൽ പ്രവൃത്തിക്കും താപത്തിനും ഇടയിലുള്ള ഏകദേശ പരിവർത്തന ഘടകം (≈ 3.58 J/cal) അദ്ദേഹം കണക്കാക്കിയെടുത്തു. 1845-ൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചെങ്കിലും പരീക്ഷണതെളിവുകളുടെ അപര്യാപ്തതയാൽ സ്വീകരിക്കപ്പെട്ടില്ല.

താപവും പ്രവൃത്തിയും തമ്മിലുള്ള തുല്യത 

ഫ്രഞ്ച് എഞ്ചിനിയർ ആയിരുന്ന സാഡി കാർനോ (Sadi Carnot) രണ്ടാം നിയമത്തിന് അടിത്തറ പാകിയ ആൾ  എന്ന നിലയിലാണ് അറിയപ്പെടുന്നത്. എന്നാൽ ഒന്നാം നിയമത്തിൻ്റെ വേരുകളും കാർനോയുടെ പഠനങ്ങളിൽ തീർച്ചയായും കാണാൻ കഴിയും. ആവിയന്ത്രങ്ങളുടെ കാര്യക്ഷമതയെക്കുറിച്ചുള്ള അന്വേഷണത്തിൽ അദ്ദേഹം മുന്നോട്ട് വച്ച കാർനോ സൈക്കിൾ എന്ന ചിന്താപരീക്ഷണം താപവും പ്രവൃത്തിയും തമ്മിലുള്ള ബന്ധം മനസ്സിലാക്കുന്നതിനുള്ള അടിത്തറയിട്ടു. കലോറിക് സിദ്ധാന്തത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള കാർനോയുടെ വിശകലനങ്ങൾ 1824-ൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച  Reflections on the Motive Power of Fire എന്ന കൃതിയിൽ ഇതേക്കുറിച്ച് ഗുണപരമായ ആശയം നൽകിയിട്ടുണ്ട്. കാർനോ താപത്തിൻറെ മെക്കാനിക്കൽ തുല്യത നേരിട്ട് സമർത്ഥിച്ചതായി അദ്ദേഹത്തിൻറെ കൃതികളിൽ ഇല്ല. എന്നാൽ മരണാനന്തരം പ്രസിദ്ധീകരിച്ച ‘നോട്ടിൽ’ മോട്ടീവ് പവറിൻ്റെ  ഒരു യൂണിറ്റ് താപത്തിന്റെ 2.70 യൂണിറ്റിന് തുല്യമാണെന്ന് പറയുന്നതായി പിന്നീട് അവകാശവാദങ്ങളുണ്ട്.1878-ൽ അദ്ദേഹത്തിൻറെ സഹോദരൻ ഫ്രഞ്ച് അക്കാദമിക്ക് എഴുതിയ കത്തിൽ അങ്ങനെ പരാമർശിക്കുന്നുണ്ട്. കാർനോയുടെ കാലത്ത് മോട്ടീവ് പവറിൻ്റെ യൂണിറ്റ് ‘ഡൈനാമി’ ആയിരുന്നു. 

കുറേക്കൂടികഴിഞ്ഞ് പത്തൊൻപതാം നൂറ്റാണ്ടിൽ തന്നെയാണ്  ഒന്നാം നിയമത്തിൻ്റെ വികാസത്തിൽ വഴിത്തിരിവായ ജൂൾ പരീക്ഷണങ്ങൾ നടന്നത്. ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിൽ അതീവ തല്പരനായിരുന്ന ഒരു ഇംഗ്ലീഷ് ബ്രൂവറായിരുന്നു  ജെയിംസ് പ്രെസ്കോട്ട് ജൂൾ (James Prescott Joule). താപവും മെക്കാനിക്കലായ പ്രവൃത്തിയും (mechanical work) തമ്മിലുള്ള ബന്ധം അളക്കാൻ അദ്ദേഹം ശ്രമിച്ചു. വളരെ സൂക്ഷ്മതയോടെ, പ്രശസ്തമായ പാഡിൽ-വീൽ പരീക്ഷണം നടത്തി. കപ്പി പോലെ ഒരു ഉപകരണത്തിൽ താഴേക്ക് വീഴുന്ന ഭാരം, തുഴകൾ ഉറപ്പിച്ച ചക്രം (paddle wheel) കറങ്ങാൻ ഇടയാക്കുന്നു. പാഡിൽ-വീൽ ഒരു പത്രത്തിലെ ജലത്തിൽ ഇറക്കി വച്ചാണ് പരീക്ഷണം നടത്തുന്നത്. തൽഫലമായുണ്ടാകുന്ന ജലത്തിൻറെ  താപനില വർദ്ധനവ് സൂക്ഷ്മമായി അളന്നു. അദ്ദേഹത്തിന്റെ കണ്ടെത്തലുകൾ വിപ്ലവകരമായിരുന്നു.മെക്കാനിക്കലായ പ്രവൃത്തി (work) നേരിട്ട് താപമാക്കി മാറ്റി.  ഊർജത്തിൻ്റെ സംരക്ഷണവും അതിന് രൂപാന്തരപ്പെടാനുള്ള കഴിവും തെളിയിച്ചു. മുമ്പ് കരുതിയിരുന്നതുപോലെ താപം ഒരു ദ്രവ പദാർത്ഥമല്ല, മറിച്ച് ഊർജത്തിൻ്റെൻ ഒരു രൂപമാണെന്ന ആശയത്തെ പരീക്ഷണ  ഫലങ്ങൾ ശക്തിപ്പെടുത്തി. തെർമോഡൈനാമിക് സിസ്റ്റങ്ങങ്ങളിൽ അളവ് പരീക്ഷണ വിശകലനത്തിലെ ആദ്യ പടിയായിരുന്നു. കൂടാതെ തെർമോഡൈനാമിക്സിൻ്റെ ഒന്നാം നിയമത്തിലേക്ക് പരീക്ഷണഫലങ്ങൾ നയിക്കയും ചെയ്തു. 

 യഥാർത്ഥത്തിൽ താപവും മെക്കാനിക്കൽ ഊർജവും തമ്മിലുള്ള ബന്ധം മനസ്സിലാക്കാനുള്ള പരീക്ഷണങ്ങൾ മാത്രമല്ല  ജൂൾ നടത്തിയിരുന്നത്. താപത്തെയും വൈദ്യുതിയെയും കുറിച്ചുള്ള പരീക്ഷണങ്ങൾ 1840-ൽ അദ്ദേഹം ആരംഭിച്ചിരുന്നു. 1850-കളുടെ തുടക്കം വരെ തുടരുകയും ചെയ്തു. വൈദ്യുതപ്രവാഹം വഴി താപം ഉൽപാദിപ്പിക്കാൻ കഴിയുമെന്ന് ജൂളിന്റെ പരീക്ഷണങ്ങൾ കാണിച്ചു. ഇത് ‘കലോറിക്’ സിദ്ധാന്തം എന്നറിയപ്പെടുന്ന അക്കാലത്തെ അംഗീകൃത  സിദ്ധാന്തത്തിന് വിരുദ്ധമായിരുന്നു. വൈദ്യുതപ്രവാഹം ഉൽ‌പാദിപ്പിക്കുന്ന താപം വൈദ്യുതധാരയുടെ ശക്തി, വയറിൻ്റെ പ്രതിരോധം,  പ്രവാഹസമയം എന്നിവയ്ക്ക് ആനുപാതികമാണെന്ന കണ്ടെത്തലും പരീക്ഷണഫലങ്ങളിൽ ഉൾപ്പെട്ടിരുന്നു. 

തൻ്റെ പരീക്ഷണങ്ങളിൽ നിന്നുള്ള നിഗമനമായ ഒരു യൂണിറ്റ് താപം ഉൽ‌പാദിപ്പിക്കാൻ ആവശ്യമായ പ്രവൃത്തിയുടെ അളവായ, ‘താപത്തിൻ്റെ മെക്കാനിക്കൽ തുല്യതയ്ക്കുള്ള  ജൂൾ മൂല്യം’ (Joule equivalent of heat) അദ്ദേഹം പ്രസിദ്ധപ്പെടുത്തി. കേംബ്രിഡ്ജിലെ  ബ്രിട്ടീഷ് അസോസിയേഷൻ ഫോർ ദി അഡ്വാൻസ്‌മെന്റ് ഓഫ് സയൻസിൽ പരീക്ഷണഫലങ്ങൾ അവതരിപ്പിച്ചു. പക്ഷേ തണുത്ത പ്രതികരണമാണ് അന്നത്തെ ശാസ്ത്ര സമൂഹത്തിൽ നിന്ന് പൊതുവെ ഉണ്ടായത്.  എന്നിട്ടും നിരാശനാകാതെ 1844-ൽ താപത്തിന്റെ മെക്കാനിക്കൽ തുല്യതയെക്കുറിച്ച് അദ്ദേഹം റോയൽ സൊസൈറ്റിക്ക് ഒരു പ്രബന്ധം സമർപ്പിച്ചു. എന്നാലത്  നിരസിക്കപ്പെടുകയാണുണ്ടായത്. പക്ഷെ നിരാശയിൽ നിന്ന് കരകയറി 1845-ൽ ഫിലോസഫിക്കൽ മാഗസിനിൽ ജൂൾ തന്റെ പ്രശസ്തമായ ‘ഓൺ ദി മെക്കാനിക്കൽ ഇക്വലന്റ് ഓഫ് ഹീറ്റ്’ (On the Mechanical Equivalent of Heat) എന്ന പ്രബന്ധം പ്രസിദ്ധീകരിച്ചു. അദ്ദേഹത്തിന്റെ ആശയങ്ങളോട് ശാസ്ത്രസമൂഹം പൊതുവെ നിസ്സംഗത പുലർത്തിയിരുന്നു. എങ്കിലും മൈക്കൽ ഫാരഡെ, വില്യം തോംസൺ (പിന്നീട് ലോർഡ് കെൽവിൻ) എന്നിവരുൾപ്പടെയുള്ളവരുടെ ശ്രദ്ധയിൽപ്പെടാൻ അത് പര്യാപ്തമായിരുന്നു. അതോടെ ജൂളിന്റെ ഭാഗധേയം മാറിത്തുടങ്ങി.

പരീക്ഷണഫലങ്ങളുടെ പിൻബലമുണ്ടായിട്ടും ജൂളിൻ്റെ ആശയങ്ങൾ തുടക്കത്തിൽ അംഗീകരിക്കപ്പെടാതെ   പോയതിന് ചില കാരണങ്ങൾ ഉണ്ടായിരുന്നു. അക്കാലത്ത് അംഗീകരിക്കപ്പെട്ടിരുന്ന ‘കലോറിക്’ സിദ്ധാന്തം, താപത്തെ ഒരു പദാർത്ഥമായി കണക്കാക്കി. ചൂടുള്ള വസ്തുക്കളിൽ നിന്ന് തണുത്ത വസ്തുക്കളിലേക്ക് ഒഴുകുന്ന ഒരു തരം ദ്രാവകം.  അതേസമയം ജൂളിന്റെ ആശയങ്ങൾ താപം തന്മാത്രാ ചലനത്തിന്റെ ഒരു രൂപമാണെന്നും അത് നശിക്കാതെ തുടരുമെന്നും വാദിച്ചു. പക്ഷേ, ആറ്റങ്ങളുടെയും തന്മാത്രകളുടെയും നിലനിൽപ്പ് നൂറ്റാണ്ടിന്റെ അവസാനത്തിൽ മാത്രമാണ് വ്യാപകമായി അംഗീകരിക്കപ്പെട്ടത്. ജോൺ ഡാൽട്ടൺ മുന്നോട്ടുവച്ച ആറ്റോമിക് സിദ്ധാന്തം ഇപ്പോൾ നമുക്ക് അനിഷേധ്യമായി തോന്നാം. പക്ഷേ അത് നിർദ്ദേശിച്ച സമയത്ത് വളരെ വിവാദപരമാണെന്ന് കരുതപ്പെട്ടു. ജൂളിന്റെ സിദ്ധാന്തം അന്നത്തെ ശാസ്ത്രജ്ഞരിൽ മിക്കവർക്കും സ്വീകരിക്കാൻ കഴിയാത്തത്ര വലിയ ചുവടുവയ്പ്പായിരുന്നു. പക്ഷെ പിന്നീട് കലോറിക് സിദ്ധാന്തത്തിൻ്റെ നിരാകരണം ഏറെ മുന്നോട്ട് തന്നെ പോയി. ഇതിനിടയിൽ  ലോർഡ് കെൽവിൻ  പരസ്പരവിരുദ്ധമെന്ന് തോന്നുന്ന രണ്ട് സിദ്ധാന്തങ്ങളെയും  ഏകീകരിക്കാനുള്ള വഴികൾ കണ്ടെത്താൻ ശ്രമിച്ചതും കൗതുകകരമാണ്.

ജൂളിന്റെ സമകാലികരിൽ പലരും അദ്ദേഹത്തിന്റെ സിദ്ധാന്തങ്ങൾ പെട്ടെന്ന് നിരസിക്കാൻ കാരണം, അദ്ദേഹം അവകാശപ്പെട്ട കൃത്യതയുടെ പരീക്ഷണങ്ങൾ നടത്താൻ കഴിയുമെന്ന് അവർ വിശ്വസിച്ചില്ല എന്നതാണ്. അതായത് ഫലങ്ങളിലെ കൃത്യതയുടെ തോത് ‘അപ്രാപ്യമാണെന്ന്’  അവർ കരുതി. ഒരു ഡിഗ്രി ഫാരൻഹീറ്റിന്റെ 1/200-ൽ താഴെ വരെ താപനില അളക്കാൻ തനിക്ക് കഴിയുമെന്ന് ജൂൾ പറഞ്ഞു, അക്കാലത്ത് ലഭ്യമായിരുന്ന മിക്ക  ഉപകരണങ്ങളും ഉപയോഗിച്ച് നേടാൻ കഴിയാത്ത കൃത്യതയായിരുന്നു അത്. പക്ഷേ, ജൂളിന് അക്കാലത്ത് അനിതരസാധാരണമായ രണ്ട് മേന്മകൾ ഉണ്ടായിരുന്നു. ഒന്ന് ബ്രൂവർ എന്ന നിലയിലുള്ള അദ്ദേഹത്തിന്റെ പശ്ചാത്തലമായിരുന്നു, അതിനർത്ഥം അദ്ദേഹത്തിന് കൂടുതൽ കൃത്യമായി അളക്കാനുള്ള വഴികളുണ്ടായിരുന്നു എന്നാണ്, കാരണം സൂക്ഷ്മമായി ട്യൂൺ ചെയ്ത താപനില അളക്കുന്നത് ബ്രൂവിംഗ് പ്രക്രിയയിൽ നിർണായകമാണ്. എങ്കിലേ ആവശ്യത്തിന് കൃത്യമായ അളവിൽ ആൽക്കഹോൾ അടങ്ങിയ ആസ്വാദ്യകരമായ രുചിയും മണവുമുള്ള ബിയറും വൈനും ലഭിക്കുകയുള്ളൂ. മറ്റൊന്ന് ജൂളിൻ്റെ അതിവിദഗ്ദ്ധനായ ഉപകരണ നിർമ്മാതാവ്, ജോൺ ബെഞ്ചമിൻ ഡാൻസർ (John Benjamin Dancer ) ആയിരുന്നു, അസാധാരണമായ കഴിവുള്ള ബെഞ്ചമിൻ ജൂളിന് വേണ്ടി ആവശ്യാനുസരണം വളരെ കൃത്യതയുള്ള   ഉപകരണങ്ങൾ നിർമ്മിച്ച് നല്കി. 

1847-ൽ ജൂൾ വീണ്ടും തൻ്റെ ആശയങ്ങൾ അവതരിപ്പിച്ചു, ഇത്തവണ ഓക്സ്ഫോർഡിലെ ബ്രിട്ടീഷ് അസോസിയേഷനിൽ. ഫാരഡെയും കെൽവിനും പങ്കെടുത്തു. ഒടുവിൽ അദ്ദേഹത്തിന്റെ ആശയങ്ങൾ ഇതുവരെ കണ്ടെത്തിയതിൽ വച്ച് ഏറ്റവും അടിസ്ഥാനപരമായ ശാസ്ത്ര നിയമങ്ങളിലൊന്നായ തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ ഒന്നാം നിയമത്തിന്റെ മൂലക്കല്ലായി മാറുന്ന കാഴ്ചയായിരുന്നു പിന്നീട് ശാസ്ത്രലോകം വീക്ഷിച്ചത്. 

ജൂളിനെ സംബന്ധിച്ച് തീർച്ചയായും മധുരപ്രതികാരം  തന്നെയായിരുന്നു പിന്നീടുണ്ടായത്. 1850-ൽ അദ്ദേഹത്തെ റോയൽ സൊസൈറ്റിയുടെ ഫെലോ ആയി സ്വീകരിച്ചു.1852-ൽ അദ്ദേഹത്തിന് റോയൽ മെഡൽ ലഭിച്ചു, 1872-ൽ അദ്ദേഹത്തെ ബ്രിട്ടീഷ് അസോസിയേഷൻ ഫോർ ദി അഡ്വാൻസ്മെന്റ് ഓഫ് സയൻസിന്റെ പ്രസിഡന്റായി നിയമിച്ചു, 1843-ൽ അദ്ദേഹത്തിന്റെ ആശയങ്ങൾ നിരസിച്ച അതേ ഗ്രൂപ്പായിരുന്നു അത്.

പൊതു ഊർജ സംരക്ഷണതത്വം 

ജർമ്മൻ ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ ഹെർമൻ വോൺ ഹെൽംഹോൾട്ട്സ്  (Hermann von Helmholtz)  ജൂളിന്റെ കണ്ടെത്തലുകളെ  ഒരു പടി കൂടി മുന്നോട്ട് കൊണ്ടുപോയി. 1847-ൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച  ‘On the Conservation of Force’ എന്ന  കൃതിയിൽ, അദ്ദേഹം ഒരു സാർവത്രിക തത്വം വ്യക്തമാക്കി. ഒറ്റപ്പെട്ട ഒരു സിസ്റ്റത്തിൽ (isolated system), ഊർജം സ്ഥിരമായി നില്ക്കുന്നു, രൂപങ്ങൾ തമ്മിൽ മാറാം, പക്ഷേ ഒരിക്കലും അത്  അപ്രത്യക്ഷമാകുന്നില്ല. അതായത് പ്രപഞ്ചത്തിൻറെ മൊത്തം ഊർജം സ്ഥിരമാണ്. ഹെൽംഹോൾട്ട്സിൻറെ  സമീപനം  ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിലും ശരീരശാസ്ത്രത്തിലും ആഴത്തിൽ വേരൂന്നിയതാണ്. ആദ്യകാലത്ത് വൈദ്യശാസ്ത്രവിജ്ഞാനം നേടിയ ചികിത്സകനായിരുന്നു അദ്ദേഹം. പേശികളിൽ  ഊർജം എങ്ങനെ ഉൽപാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്നുവെന്ന് പഠിച്ചു. പേശികളുടെ ചലനത്തിന് ഒന്നുമില്ലായ്മയിൽ നിന്ന് ഊർജം സൃഷ്ടിക്കാൻ കഴിയില്ലെന്ന് അദ്ദേഹം മനസ്സിലാക്കി. അത് ശരീരത്തിലെ രാസ പ്രക്രിയകളിൽ നിന്നാണ് വരേണ്ടത്. ജൈവ ഊർജത്തെ നിയന്ത്രിക്കുന്ന ഒരു ‘ജീവശക്തി’ (vital force) എന്ന ആശയം  നിരസിക്കാൻ ഈ വിജ്ഞാനം അദ്ദേഹത്തെ പ്രേരിപ്പിച്ചു.

ന്യൂട്ടോണിയൻ മെക്കാനിക്സും ലെയ്ബ്നിസിന്റെ മുൻകാല പഠനങ്ങളും അടിസ്ഥാനമാക്കി കൂടുതൽ മുന്നോട്ട് പോകാൻ അദ്ദേഹത്തിന് കഴിഞ്ഞു. ഊർജം അളക്കാവുന്നതും സംരക്ഷിക്കപ്പെടുന്നതുമായ ഒരു അളവാണെന്ന് സൂചിപ്പിക്കുന്ന വിസ് വിവ (vis  viva) തത്വം അദ്ദേഹത്തെ സ്വാധീനിച്ചു. ജൂളിൻറെയും  വോൺ മേയറുടെയും ആശയങ്ങൾ അദ്ദേഹം സമന്വയിപ്പിക്കുകയും മെക്കാനിക്കൽ സിസ്റ്റങ്ങളിലും ജീവജാലങ്ങളിലും പ്രയോഗിക്കുകയും ചെയ്തു. എല്ലാ ഊർജപരിവർത്തനങ്ങളും ഒരേ അടിസ്ഥാന നിയമം പിന്തുടരുന്നുവെന്ന് വാദിച്ചു. ഊർജം സൃഷ്ടിക്കാനോ നശിപ്പിക്കാനോ കഴിയില്ലെന്നും വ്യത്യസ്ത രൂപങ്ങൾക്കിടയിൽ പരിവർത്തനം ചെയ്യുക മാത്രമേ ഉള്ളുവെന്നും ഹെൽംഹോൾട്ട്സ് വ്യവസ്ഥാപിതമായി സമർത്ഥിച്ചു. താപം, മെക്കാനിക്കലായ  പ്രവൃത്തി, രാസ ഊർജം തുടങ്ങിയവയാണ് അദ്ദേഹം ഉദാഹരിച്ചത്. (ഇപ്പോഴത്തെ പദാവലിയിൽ chemical potential എന്നാണ് പറയാറുള്ളത്.) അദ്ദേഹം ഈ തത്വം ഗണിതശാസ്ത്രപരമായി പ്രകടിപ്പിക്കുകയും ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിൽ മാത്രമല്ല, ശരീരശാസ്ത്രത്തിലും ഇത് സാർവത്രികമായി ബാധകമാണെന്ന് വാദിക്കുകയും ചെയ്തു. ഹെൽംഹോൾട്ട്സിൻറെ രചനകൾ തെർമോഡൈനാമിക്സിന് ശക്തമായ ഒരു സൈദ്ധാന്തിക അടിത്തറ നൽകി, വ്യവസ്ഥാപിത പഠനത്തിന് വേദിയൊരുക്കി. ഉദാഹരണത്തിന്, ഗതികോർജ് – ഒരു വസ്തു ചലിക്കുമ്പോൾ ഉള്ള ഊർജം – ഒരു ഡ്രൈവർ കാറിൻ്റെ വേഗത കുറയ്ക്കാൻ ബ്രേക്ക് അമർത്തുമ്പോൾ താപമായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. 

 ഒരു കാര്യം വ്യക്തമാക്കേണ്ടതുണ്ട്. 1847-ൽ എഴുതിയ കൃതിയിൽ ഹെൽംഹോൾട്ട്സ് ‘Force’ എന്ന പദം നമ്മൾ ഇപ്പോൾ ‘ഊർജം’ (energy) എന്ന് വിളിക്കുന്നതിന് പകരമാകുന്ന രീതിയിലാണ്    ഉപയോഗിച്ചത്. ഹെൽംഹോൾട്ട്സിന്റെ കാലത്ത്,  “Kraft ” എന്ന ജർമ്മൻ ഭാഷയിലെ പദം പലപ്പോഴും മെക്കാനിക്കൽ ബലത്തെയും നമ്മൾ ഇപ്പോൾ ഊർജം എന്ന് വിളിക്കുന്നതിനെയും അർത്ഥമാക്കാൻ ഉപയോഗിച്ചിരുന്നു. പദാവലി  മാനകീകരണം (standardization ) പൂർണ്ണമായി നടപ്പിൽ വന്നിരുന്നില്ല.  1807-ൽ തോമസ് യംങ്ങ് ‘energy’ എന്ന പദം ആവിഷ്കരിച്ചിരുന്നു. എങ്കിലും പത്തൊൻപതാം നൂറ്റാണ്ടിൽ, ‘force’ ചിലപ്പോൾ വിശാലമായ അർത്ഥത്തിൽ ഉപയോഗിച്ചിരുന്നു, ഇപ്പോൾ നമ്മൾ ‘ഊർജം’ (energy) എന്ന്  നിർവചിക്കുന്നതിനെ അത് അക്കാലത്ത്   ഉൾക്കൊണ്ടിരുന്നു. ഊർജസംരക്ഷണമെന്ന ആധുനിക ആശയത്തിലേക്ക് ശാസ്ത്രത്തിൻ്റെ ധാരണ ഉറപ്പിക്കുന്നതിൽ ഹെൽംഹോൾട്ട്സിന്റെ കൃതി നിർണായക പങ്കുവഹിച്ചു. ഇന്നത്തെ കൃത്യമായ മാനകങ്ങളിൽ നിന്ന്  പദാവലി വ്യത്യസ്തമാണെന്നത് വേറൊരു കാര്യം. 

താപവും പ്രവൃത്തിയും: വ്യതിരിക്തത  

മുൻപറഞ്ഞ ആശയങ്ങളെ പരിഷ്കരിക്കുകയും വികസിപ്പിക്കുകയും ചെയ്ത ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ റുഡോൾഫ് ക്ലോഷ്യസ് (Rudolf Clausius) ഇല്ലാതെ ഒന്നാം നിയമത്തെക്കുറിച്ചുള്ള ചർച്ച പൂർണ്ണമാകില്ല. പത്തൊൻപതാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ മധ്യത്തിൽ, ക്ലോഷ്യസ് താപത്തെ പ്രവൃത്തിയിൽ നിന്ന് വ്യതിരിക്തമാക്കുന്ന ഗണിതസൂത്രവാക്യങ്ങൾ അവതരിപ്പിച്ചു. അദ്ദേഹത്തിന്റെ സംഭാവനകൾ ഒന്നാം നിയമത്തെ ഉറപ്പിക്കുകയും, രണ്ടാം നിയമത്തിന്റെ വികാസത്തിലേക്ക് നയിക്കുകയും ചെയ്തു. എൻട്രോപ്പിയെയും ഊർജപ്രവാഹത്തെയും കുറിച്ചുള്ള ധാരണയെ രൂപപ്പെടുത്തുകയും ചെയ്തു. ഒന്നാം നിയമം, അത് കൂടുതൽ വ്യക്തതയുള്ളതാക്കുന്നതിനും  ഗണിതശാസ്ത്രപരമായി ഔപചാരികമാക്കുന്നതിലും അദ്ദേഹം നിർണായക പങ്ക് വഹിച്ചു. താപം ഒരു ഊർജരൂപമാണെന്നും അത് പ്രവൃത്തിയാക്കി മാറ്റാമെന്നും സുനിശ്ചിതമായി സ്ഥാപിക്കാൻ ക്ലോഷ്യസ് സഹായിച്ചു.

പ്രഭാവവും പ്രയോഗങ്ങളും

തത്വചിന്തകളിൽ നിന്ന് കർശനമായ ശാസ്ത്രീയ നിയമത്തിലേക്കുള്ള യാത്ര ദീർഘവും ദുഷ്‌കരവുമായിരുന്നു, പക്ഷേ ഫലം ആഴമേറിയതായിരുന്നു. തെർമോഡൈനാമിക്സിന്റെ ആദ്യ നിയമം മനുഷ്യന്റെ ജിജ്ഞാസയ്ക്കും സ്ഥിരോത്സാഹത്തിനും ഒരു തെളിവായി നിലകൊള്ളുന്നു. ഇത് കടലാസിലെ ഒരു സമവാക്യം മാത്രമല്ല, എല്ലാ എഞ്ചിനെയും, ഓരോ നക്ഷത്രത്തെയും, ഓരോ ഹൃദയമിടിപ്പിനെയും നിയന്ത്രിക്കുന്ന ഒരു തത്വമാണ്. ഊർജത്തിന്റെ അഭേദ്യമായ സംരക്ഷണം മനസ്സിലാക്കുന്നതിലൂടെ, ആധുനിക ലോകത്തെ രൂപപ്പെടുത്താനും,  അതിനപ്പുറമുള്ള പ്രപഞ്ചം പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യാനുമുള്ള ശക്തി മനുഷ്യവർഗം അഴിച്ചുവിട്ടു. നിയമം ഒരു അമൂർത്ത ശാസ്ത്രതത്വം മാത്രമായിരുന്നില്ല. അത് വ്യാവസായിക വിപ്ലവത്തിന്റെ അടിത്തറയായി. എഞ്ചിനീയർമാർ അത് നീരാവി എഞ്ചിനുകളിൽ പ്രയോഗിച്ചു, കൂടുതൽ കാര്യക്ഷമമായ വൈദ്യുതി ഉൽപാദനം സാധ്യമാക്കി.വ്യവസായത്തിനപ്പുറം, രാസപ്രവർത്തനങ്ങൾ, ഗ്രഹവ്യവസ്ഥകൾ, ജൈവ രാസവിനിമയം എന്നിവയിലെ ഊർജസന്തുലിതാവസ്ഥയെ നിയമം നിയന്ത്രിക്കുന്നു. 

ഒന്നാം നിയമം ആന്തരിക ഊർജം (Internal Energy, U) എന്ന തെർമോഡൈനാമിക് ഫങ്ഷൻ്റെ നിർവ്വചനത്തിലേക്ക് നയിച്ചു. ഒരു സിസ്റ്റത്തിൻറെ ആകെ ഊർജത്തിൻ്റെ തുകയാണിത്. ഒരു ഒറ്റപ്പെട്ട സിസ്റ്റത്തിൽ ഇത് സ്ഥിരമായിരിക്കും. ജർമ്മൻ പദമായ  ‘Unenergie’ യിൽ നിന്നാണ് U എന്ന സിംബൽ സ്വീകരിച്ചിരിക്കുന്നത്. ഒന്നാം നിയമത്തിൻ്റെ പ്രയോഗത്തിൽനിന്നാണ് താപഉള്ളടക്കം (heat content) അഥവാ എൻതാൽപി (enthalpy, H ) എന്ന ഫങ്ഷനും ആവിർഭവിച്ചിട്ടുള്ളത്. എൻതാൽപ്പിയുടെ H എന്ന ചിഹ്നം “താപ ഉള്ളടക്കം” എന്നർത്ഥം വരുന്ന ജർമ്മൻ പദമായ “Heatinhalt” ൽ നിന്നാണ് വന്നത്. ചരിത്രപരമായി ഒരു സിസ്റ്റവും ചുറ്റുപാടുകളും തമ്മിൽ താപരൂപത്തിൽ മാത്രം കൈമാറ്റം ചെയ്യുന്ന ഊർജത്തിൻ്റെ അളവിനെയാണ് ഇത് സൂചിപ്പിക്കുന്നത്. ഇപ്പോൾ കൃത്യമായി പറഞ്ഞാൽ എൻതാൽപി എന്ന തെർമോഡൈനാമിക് ഫങ്ഷൻ്റെ സാംഗത്യം അല്പം വ്യത്യസ്തമാണ്.  

ഒന്നാം നിയമം ഉരുത്തിരിഞ്ഞ് വന്ന പഠനങ്ങളിൽ നിന്ന് താപം ഒരു ദ്രവപദാർത്ഥമല്ലെന്നും ഊർജരൂപമാണെന്നും വ്യക്തമായി. മെക്കാനിക്കൽ ആയ പ്രവൃത്തിയുമായും മറ്റ്  ഊർജരൂപങ്ങളുമായും താപത്തിന് തുല്യതയുണ്ടെന്ന് വ്യക്തമായി. ഗതികോർജ്ജവുമായി (kinetic  energy) താപത്തിനെ താരതമ്യം ചെയ്യാൻ കഴിയും. താപോർജ്ജത്തിൻ്റെ കാര്യത്തിലും ചലനമാണ് ഊർജത്തിൻ്റെ അടിസ്ഥാനം. ഇവിടെ തന്മാത്രാതലത്തിൽ ഉള്ള കമ്പനങ്ങളും തിരയലുകളും സ്ഥാനാന്തരങ്ങളും ആണ് ഉൾപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത്. വാതകങ്ങളിലും ദ്രാവകങ്ങളിലുമാണ് സ്ഥാനാന്തര ചലനം പ്രസക്തമാവുന്നത്. സാദ്ധ്യമായ എല്ലാ ദിശകളിലും റാൻഡം ആയി ഇത്തരം ചലനങ്ങൾ നടന്ന് കൊണ്ടിരിക്കും. ഇത്തരം ചലനങ്ങളുടെ തോത് ആണ് താപനിലയായി അനുഭവപ്പെടുന്നത്. മെക്കാനിക്കൽ ആയ ചലനത്തിൽ ഒരു സിസ്റ്റത്തിലെ എല്ലാ തന്മാത്രകളും അല്ലെങ്കിൽ സിസ്റ്റത്തിലെ ഒരു ഭാഗത്തെ തന്മാത്രകൾ ഒരുമിച്ച് സിൻക്രൊണൈസ്ഡ് ആയാണ് നീങ്ങുന്നത്. 

ഗണിതപരമായ ആവിഷ്കാരം

ഗണിതസമവാക്യരൂപത്തിൽ ഒന്നാംനിയമം ഇങ്ങനെ പ്രകാശിപ്പിക്കാം

ΔU = q − w

ഇവിടെ:

ΔU എന്നത് ഒരു സിസ്റ്റത്തിന്റെ ആന്തരിക ഊർജത്തിന് (internal energy) ഒരു പ്രക്രിയയിലുണ്ടാകുന്ന  മാറ്റമാണ്,

q എന്നത് സിസ്റ്റത്തിലേക്ക് ചേർക്കുന്ന താപമാണ്,

w എന്നത് സിസ്റ്റം ചെയ്യുന്ന പ്രവൃത്തിയാണ്.

ഫിസിക്സ്, എഞ്ചിനീറിംഗ് ടെക്സ്റ്റുകളിൽ മുൻ പറഞ്ഞപോലെയാകും ഇക്വേഷൻ പ്രകാശിപ്പിച്ചിട്ടുള്ളത്. പക്ഷേ കെമിസ്ട്രിയിൽ ഇതേ സമവാക്യം ഐ. യു. പി. എ. സി. കൺവെൻഷൻ അനുസരിച്ച് മറ്റൊരു രീതിയിലാണ് നൽകാറുള്ളത്.

ΔU = q + w

സിസ്റ്റം ചെയ്യുന്ന പ്രവൃത്തിയുടെ മൂല്യം തന്നെ നെഗറ്റീവ് ആയാണ് ഇവിടെ കണക്കാക്കുന്നത്. 5 ജൂൾ പ്രവൃത്തി സിസ്റ്റം ചെയ്തുവെന്നിരിക്കട്ടെ. അപ്പോൾ ഐ യു പി എ സി കൺവെൻഷൻ പ്രകാരം w = -5 ജൂൾ   എന്നാണ് പറയുക. അത് കൊണ്ടാണ് ഇക്വേഷനിൽ ചിഹ്നം മാറിയിരിക്കുന്നത്. യഥാർത്ഥത്തിൽ രണ്ടും ഒരേ ഇക്വേഷൻ തന്നെയാണ്.  

സിസ്റ്റത്തെ ആശ്രയിച്ച് ആദ്യ നിയമം വ്യത്യസ്ത രീതികളിൽ വ്യാഖ്യാനിക്കാം:

1. അടഞ്ഞ സിസ്റ്റങ്ങൾ:

സിസ്റ്റത്തിലേക്കോ പുറത്തേക്കോ പുതുതായി’ പദാർത്ഥം വരുന്നില്ല. താപ കൈമാറ്റം അല്ലെങ്കിൽ ചെയ്യുന്ന ജോലി പ്രവൃത്തി കാരണമോ രണ്ടും കൂടിയോ  ഒരു സിസ്റ്റത്തിന്റെ ആന്തരിക ഊർജം മാറുന്നു.

ഉദാഹരണം: ഒരു സിലിണ്ടറിൽ വാതകം ചൂടാക്കുന്നത് അതിന്റെ ആന്തരിക ഊർജം വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും വികാസത്തിലേക്ക് നയിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു.

2. തുറന്ന സിസ്റ്റങ്ങൾ:

പദാർത്ഥം പ്രവേശിക്കാനോ പുറത്തുപോകാനോ കഴിയും. അത് പോലെ ഊർജത്തിനും.  ഉദാ. നീരാവി എഞ്ചിനുകൾ, ജീവജാലങ്ങൾ.

ഒരു നീരാവി എഞ്ചിൻ നീരാവിയോടൊപ്പം താപം സ്വീകരിക്കുന്നു,  പ്രവൃത്തി ചെയ്യുന്നു , ചുറ്റുപാടുകളിലേക്ക് താപത്തിൻറെ  ഒരു ഭാഗം  നഷ്ടപ്പെടുത്തുന്നു.

3. ഒറ്റപ്പെട്ട സിസ്റ്റങ്ങൾ:

പദാർത്ഥമോ ഊർജമോ കൈമാറ്റം ചെയ്യുന്നില്ല. ആന്തരികഊർജം സ്ഥിരമായി നിൽക്കുന്നു. സിസ്റ്റത്തിനുള്ളിൽ ഊർജരൂപാന്തരം സംഭവിക്കാം. ഒരു ഭാഗത്ത് നിന്ന് മറ്റൊരു ഭാഗത്തേക്കുള്ള മെക്കാനിക്കൽ ചലനവും പ്രവൃത്തിയും സംഭവിക്കാം.   

ചാക്രിക പ്രക്രിയകൾ:

ഒരു ചാക്രിക പ്രക്രിയയിൽ, മൊത്തം ആന്തരിക ഊർജമാറ്റം പൂജ്യമാണ്, അതായത് സിസ്റ്റത്തിൽ ചേർത്ത ആകെ താപം സിസ്റ്റം ചെയ്ത ആകെ പ്രവൃത്തിയും അളവിൽ  തുല്യമാണ്.

ഉദാഹരണം: താപ എഞ്ചിനുകളിലെ കാർനോ  ചക്രം.

---

റഫറൻസുകൾ

1. Empedocles of Acragas, https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Empedocles/
2. A Short History of Perpetual Motion Machines: To dream the impossible dreams., David Grossman, Jun 07, 2017
3. https://www.popularmechanics.com/science/energy/a26792/a-short-history-of-perpetual-motion-machines >>>
4. Perpetual Motion Machine.Tsaousis, D.. (2008). Journal of Engineering Science and Technology Review. 1. 53-57. 10.25103/jestr.011.12. 
5. Zohuri, Bahman & Mcdaniel, Patrick. (2019). First Law of Thermodynamics. In book: Thermodynamics in Nuclear Power Plant Systems (pp.99-148) 10.1007/978-3-319-93919-3_5. 
6. A Brief History of Thermodynamics, As Illustrated by Books and People Gregory S. Girolami, Chem. Eng. Data 2020, 65, 298−311 pubs.acs.org/jced chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/ >>>
7. “Robert Mayer: Conservation of Energy and Venous Blood Colour”, Teresa Rocha-Homem, Advances in Historical Studies, Vol.4 No.4, 2015 >>>

7. Heat, work and subtle fluids: a commentary on Joule (1850) ‘On the mechanical equivalent of heat’, John Young, Philosophical Transactions of the Royal Society A 13 April 2015, Volume 373, Issue 2039
8. James Joule: from establishment irritant to honoured scientist, Published: 28 January 2019,  >>>
9.  Eur. J. Phys. 20 (1999) 183–192. Printed in the UK PII: S0143-0807(99)97568-2 Sadi Carnot, ‘Founder of the Second Law of Thermodynamics’ Herman Erlichson

---

---