Warmte

Zoals we hebben gezien, zijn er twee vormen waarin de mechanische beweging, levende kracht, verdwijnt. De eerste is de omzetting in mechanische potentiële energie, bijvoorbeeld bij het opheffen van een gewicht. Deze vorm heeft de bijzonderheid dat het niet alleen opnieuw kan worden omgezet in mechanische beweging – deze mechanische beweging heeft bovendien dezelfde levende kracht als de oorspronkelijke – maar ook dat het enkel in staat is tot deze vormverandering. Mechanische potentiële energie kan nooit warmte of elektriciteit produceren, tenzij het eerst in een echte mechanische beweging wordt omgezet. Om Clausius’ term te gebruiken, het is een “omkeerbaar proces”.

De tweede vorm waarin de mechanische beweging verdwijnt, is wrijving en schokken – die alleen verschillen in de graad. Wrijving kan worden opgevat als een reeks kleine schokken die achtereen en naast elkaar plaatsvinden, schokken als wrijving geconcentreerd op één plek en in één moment. Wrijving is chronisch schokken, schokken is acute wrijving. De mechanische beweging die hier verdwijnt, verdwijnt als zodanig. Het kan nooit uit zichzelf worden hersteld. Het proces is niet direct omkeerbaar. De beweging is getransformeerd in kwalitatief verschillende bewegingsvormen, in warmte, elektriciteit – in vormen van moleculaire beweging.

Wrijving en schok voeren ons dus van de beweging van massa’s, het object van de mechanica, naar moleculaire beweging, het object van de fysica.

Toen we de natuurkunde definieerden als de mechanica van de moleculaire beweging, hebben we niet uit het oog verloren dat deze uitdrukking geenszins het hele veld van de hedendaagse fysica omvat. [Zie de Anti-Dühring] Integendeel. Ethertrillingen, die verantwoordelijk zijn voor de fenomenen van licht en stralingswarmte, zijn zeker geen moleculaire bewegingen in de moderne zin van het woord. Maar hun effect, hier op de aarde heeft in de eerste plaats betrekking op moleculen: breking van licht, polarisatie van licht, enz., en worden bepaald door de moleculaire constitutie van de betreffende lichamen. Net zo beschouwen bijna alle belangrijke wetenschappers vandaag elektriciteit als een beweging van etherdeeltjes, en Clausius zegt zelfs over hitte dat in

“de beweging van weegbare atomen (het zou beter zijn te spreken over moleculen) ... de ether in het lichaam ook kan participeren.” (Mech. Wärmetheorie I, p. 22).

Maar bij elektrische en warmteverschijnselen komen opnieuw overwegend moleculaire bewegingen in aanmerking, omdat het niet anders kan, zolang we zo weinig weten over ether. Maar wanneer we op het punt komen dat we de mechanica van de ether kunnen ontsluieren, zal het zeker ook veel dingen omarmen die vandaag de dag noodzakelijkerwijs in de fysica worden ondergebracht.

De fysische processen waarbij de structuur van het molecuul wordt gewijzigd of zelfs vernietigd, komen later aan bod: ze vormen de overgang van fysica naar chemie.

Alleen met moleculaire beweging krijgt de vormverandering van de beweging haar volledige vrijheid. Terwijl op de grens van de mechanica de beweging van massa’s slechts enkele andere vormen – warmte of elektriciteit – kan aannemen, zien we hier een heel andere activiteit van vormverandering: warmte verandert in elektriciteit in de thermozuil, wordt identiek met licht op een bepaald stralingsniveau, en genereert op zijn beurt weer mechanische beweging; elektriciteit en magnetisme, soortgelijke broers en zussen van warmte en licht, worden niet alleen in elkaar getransformeerd, maar ook in warmte en licht en mechanische beweging. En dit volgens zulke specifieke verhoudingen dat we een bepaalde hoeveelheid onderling kunnen uitdrukken, in kilopondmeter, in warmte-eenheden, in volt, en ook elke meeteenheid kunnen omzetten in een andere.

De praktische ontdekking van de omzetting van mechanische beweging in warmte is zo oud dat het kan dateren uit het begin van de menselijke geschiedenis. Welke uitvindingen van werktuigen en het temmen van dieren er ook aan vooraf zijn gegaan, het maken van vuur door wrijving was het eerste geval van mensen die een niet-levende natuurkracht gebruikten. En hoezeer de bijna onmetelijke omvang van deze gigantische vooruitgang op het denken indruk maakte, blijkt nog steeds uit het populaire bijgeloof van vandaag. De uitvinding van het stenen mes, het eerste werktuig, werd nog lang na de introductie van brons en ijzer gevierd, waarbij alle religieuze offers werden gebracht met stenen messen. Volgens de Joodse legende liet Jozua de mannen die in de woestijn waren geboren met stenen messen besnijden; Kelten en Germaanse stammen gebruikten alleen stenen messen in hun mensenoffers. Maar dit alles is van lang geleden. Het was anders met het maken van vuur door wrijving. Lang nadat andere methoden om vuur te maken bekend was, moest bij de meeste volkeren al het heilige vuur door wrijving worden geproduceerd. Maar tot op de dag van vandaag houdt het volksgeloof in de meeste Europese landen vol dat wonderbaarlijk vuur (bijvoorbeeld ons Duitse noodvuur) alleen door wrijving mag worden aangestoken. Zo leeft tot op de dag van vandaag de dankbare herinnering aan de eerste grote overwinning van de mens op de natuur – half onbewust – voort in het volksgeloof, in een restant heidense-mythologische herinneringen, bij de meeste ontwikkelde volkeren van de wereld.

Het proces van het maken van vuur door middel van wrijving is echter nog eenzijdig. Mechanische beweging wordt omgezet in warmte. Om het proces te voltooien moet het worden omgekeerd; warmte moet worden omgezet in mechanische beweging. Alleen dan wordt recht gedaan aan de dialectiek van het proces, waarbij de cyclus van het proces wordt voltooid – in ieder geval voor de eerste fase. Maar de geschiedenis heeft zijn eigen tempo, en hoe dialectisch het verloop ervan in laatste instantie ook is, de dialectiek moet vaak vrij lang op de geschiedenis wachten. Er moeten duizenden jaren zijn verstreken tussen de ontdekking van het vuur door wrijving en de tijd dat Heron van Alexandrië (ca. 120 v. Chr. [Wikipedia: ca. 10 – ca. 70]) een machine uitvond die een roterende beweging maakte door de waterdamp die er uit kwam. En weer ging bijna 2000 jaar voorbij totdat de eerste stoommachine, het eerste apparaat dat warmte omzet in een echt nuttige mechanische beweging, werd geproduceerd.

De stoommachine was de eerste echt internationale uitvinding, en dit feit getuigt op zijn beurt van een machtige historische vooruitgang. De Fransman, Papin, vond de eerste stoommachine uit, en hij vond deze uit in Duitsland. De Duitser Leibniz, die zoals altijd briljante ideeën verspreidde, ongeacht of de verdienste aan hem of aan anderen werd toegeschreven – Leibniz, zoals we nu weten uit de correspondentie van Papin (uitgegeven door Gerland), gaf hem het belangrijkste idee: het gebruik van cilinder en zuiger. De Engelsen Savery en Newcomen vonden kort daarna soortgelijke machines uit; hun landgenoot Watt bracht ze uiteindelijk, door de introductie van de gescheiden condensator, in principe naar het huidige niveau. De cyclus van uitvindingen was op dit gebied voltooid: de omzetting van warmte in mechanische beweging was een feit. Wat daarna kwam, waren detailverbeteringen.

Op zijn eigen manier had de praktijk dus de kwestie van de relatie tussen mechanische beweging en warmte opgelost. Het had eerst de eerste getransformeerd in de tweede en daarna de tweede in de eerste. Maar hoe zat het met de theorie?

Pover. In de zeventiende en achttiende eeuw staan talloze reisverslagen vol met beschrijvingen over wilde volken die geen andere manier van vuur maken kenden, dan door wrijving. Maar de natuurkundigen werden er nauwelijks door geraakt; in de achttiende eeuw en de eerste decennia van de negentiende eeuw bleef de stoommachine voor hen onverschillig. Ze waren meestal tevreden met een eenvoudige vaststelling.

Uiteindelijk nam Sadi Carnot in de jaren twintig de kwestie ter hand, en wel op een zeer bekwame manier, zodat zijn beste berekeningen, geometrisch weergegeven door Clapeyron, vandaag de dag nog steeds geldig zijn voor Clausius en Clerk Maxwell, en hij de zaak bijna tot op de bodem heeft uitgespit. Wat hem ervan weerhield om het volledig te doorgronden was niet het gebrek aan feitelijk materiaal, het was slechts – een vooropgezette onjuiste theorie. Bovendien was deze foute theorie niet een theorie die door een of andere kwaadaardige filosofie aan de natuurkundigen was opgedrongen, maar een theorie die door de natuurkundigen zelf was bedacht, door middel van hun eigen naturalistische denkwijze, dus zeer superieur aan de metafysisch-filosofische methode.

In de 17e eeuw, althans in Engeland, werd warmte beschouwd als een eigenschap van het lichaam, als

“een beweging [cursief van Engels] van een bijzondere aard, waarvan het wezen nooit bevredigend verklaard is.”

Zo omschreef Th. Thomson het twee jaar voor de ontdekking van de mechanische warmtetheorie (Outline of the Sciences of Heat and Electricity, 2e ed., Londen, 1840 [p. 281]). Maar in de achttiende eeuw kwam het idee steeds meer naar voren dat warmte, zoals licht, elektriciteit, magnetisme, een bijzondere stof was, en al deze bijzondere stoffen verschilden van de alledaagse materie in die zin dat ze geen gewicht hadden, ze wegen was niet mogelijk.