2010-07-27

Caloric

Vetenskapshistorien rymmer inte så få återvändsgränder; flogiston, eter, Ptolemaios epicykler, m.fl.


Här är en av de mindre kända: caloric. Vad är det?

Det var ett hypotetiskt ämne som infördes i kemin för att förklara vad som hände när saker brann, skapade värme och blev till kol och aska. Det fanns, enligt teorin, överallt, dess atomer (även om denna teori formulerades innan atomernas fysiska existens blev belagd) repellerade varandra men attraherade alla andra sorters atomer, det kunde varken skapas eller förstöras, det var elastiskt, kunde vara latent eller konstaterbart (vilket avgjordes genom att mäta temperaturen) och hade massa. (På Wikipedia-artikeln anges att caloric tänktes vara en viktlös gas. Jag vet inte om det är frågan om olika teorier eller om samma teori rymmer caloric med och utan massa.)

När ett bränsle brann så avgav det caloric. Detta kunde avgöras medelst vägning - ursprungsvikten minus caloric, och kanske rök med försumbar massa, gav restprodukternas massa. När omgivningen värmdes upp, så var det caloric-atomer som absorberades; och när en gas värmdes upp, så var det caloric som fick den att expandera.

En intressant egenskap hos caloric-teorin var att den tillät evighetsmaskiner. Detta skulle även visa sig vara en fundamental skillnad mot den förbättrade termodynamik som efterträdde den.

Kritik mot caloric fanns från början, eller ända sedan den formulerades av Lavoisier. Just han, som tillsammans med Priestly och vår egen Scheele tillskrivs upptäckten (visst är det intressant att se hur mycket hetare eftervärldens strid är om viktiga grundämnen?), gav den namnet oxygène och förpassade flogistonet till fysikens freak show. Men namnet caloric och huvuddragen i teorin ovan är hans.

En annan viktig "calorist" är Pierre-Simon Laplace, vilket åter igen bara visar att inte ens tankens giganter är immuna mot felaktiga teorier. För såväl han som Lavoisier var fantastiska vetenskapsmän, som lämnat stora och bestående bidrag till vår världssyn. Att de inte var ofelbara är ingen kritik, bara ett faktum. Det är i sig inte intressantare än, eller för den delen lika intressant som, att Newton sysslade med alkemi.

Under hela 1800-talet skulle caloric-teorin utsättas för tvivel, beläggas i vissa experiment och vederläggas i andra. Det mest anmärkningsvärda, tycker jag, är hur stor nytta såväl forskare som ingenjörer faktiskt hade även av en teori som hade grundläggande fel. Inte som Newtons mekanik, som kan användas utmärkt väl för att beräkna såväl solförmörkelser som planetsonders banor (det är först i extrema situationer som man får ta till Einsteins korrektare men betydligt besvärligare ekvationer) utan faktiskt fel, från början till slut.

Framåt mitten av 1800-talet utsattes caloric-teorin för sin allvarligaste kritik dittills, från en ung fysiker James Prescott Joule. Av någon anledning nämns hans namn sällan när man skall berätta sagan om hur vetenskapens riddare slåss mot okunskapens troll, trots att den är väl lämpad för ändamålet. För caloric-teorin var väl etablerad och försvarades av betydligt större namn än hans. Det var först efter experiment, som nog få av oss skulle kunna upprepa (i synnerhet med tekniken av år 1850) som caloric-teorin började sjunga på sin svanesång. Till detta bidrog även personer som Kelvin och J. R. Mayer.

Hur var det då med punschen? Namnet myntades inte förrän framåt sekelskiftet 1900, eller långt efter att fysikerna slutat med den.

Ungefär samtidigt kom John Ericsson att bli uppmärksammad. Hans varmluftsmaskin (alltså inte ångmaskin!), Caloric-maskinen kallad, på hela 60 hästkrafter hade gjort succé på världsutställningen i London 1851. En tio gånger starkare motor (på papperet; i praktiken halva effekten) byggdes och sattes i ett fartyg - C/S Ericsson, där C/S = Caloric Ship. Den främsta poängen var att den kunde uträtta samma arbete med bara femtedelen så mycket bränsle som en ångmaskin. Det är besparing det! 1853 gjorde den en mycket uppmärksammad tur över Atlanten, som den visserligen klarade med den äran, men på grund av andra problem blev den aldrig den naturliga efterföljare av ångmaskinen som det var tänkt.

Dåtidens tidningar är fulla av till artiklar förklädd desperat reklam, som inleder med beskrivningar av förfärliga olyckor med ångfartyg, inklusive vad detaljer som var tryckbara, och allt annat elände som dödsmaskinerna medförde - för att därefter gå in på det ångfria alternativet, Ericssons Caloric!

Hade det inte varit för inbördeskriget, då Ericsson fick visa vad han kunde, så hade kanske punschen aldrig fått heta just Caloric. Och tillsammans med den välkända kalorin varit det enda som minner om den en gång förhärskande caloric-teorin.

Källor:
  • Carl-Göran Nilson, "Varmluftsmotorn - en historisk relik - eller..?" i Bosse Sundin (red.), I teknikens backspegel (Carlsson 1987), sid 124-149
  • Wikipedia: Caloric theory

4 kommentarer:

Anonym sa...

” En intressant egenskap hos caloric-teorin var att den tillät evighetsmaskiner. Detta skulle även visa sig vara en fundamental skillnad mot den förbättrade termodynamik som efterträdde den.”

Hm, som jag förstår den tillåter caloric-teorin visserligen evig rörelse men inte en evighetsmaskin som man kan utvinna energi ur –alltså en outsinlig energikälla. Även caloric-teorin hade konserveringslagar.

Modern fysik tillåter evig rörelse. Exempelvis kan ström flyta i evighet i ett perfekt supraledande material –men du kan förstås inte få den att utföra något arbete.

Skillnaden blir således att med caloric-teorin kan man teoretiskt konstruera en maskin som återvinner friktionsförlusterna och evigt underhåller rörelse som har friktionsförluster (vilket strider mot termodynamikens andra huvudsats men caloric-teorin saknar motsvarighet till detta).

”Det mest anmärkningsvärda, tycker jag, är hur stor nytta såväl forskare som ingenjörer faktiskt hade även av en teori som hade grundläggande fel.”

Ifall du betraktar värme som rörelse eller någon sorts ämne är väl mest en åskådnings- och benämningsfråga. Det är varken en rörelse eller ett ämne i den vardagliga meningen.

Ifall du då betraktar värme som en rörelse med ovanliga egenskaper för en rörelse (såsom att den faktiskt verkar stå still!) eller som ett ämne med ovanliga egenskaper för ett ämne (luktlöst, viktlöst, kan vara latent) är väl då närmast en semantisk fråga. Det relevanta är vilka egenskaper man tillskriver den konstiga rörelsen eller det konstiga ämnet.

Ifall jag kallar en biljett från Älvsjö till Knivsta ”en speciell biljett från Stockholm till Göteborg kännetecknad av att den går från Älvsjö till Knivsta” eller ”en speciell biljett från Göteborg till Malmö, kännetecknad av att den går från Älvsjö till Knivsta” spelar ingen roll så länge jag kommer ihåg att trots mitt fåniga val av benämning går den från Älvsjö till Knivsta och inget annat.

Att betrakta värme som ett osynligt ämne utan både trög tung massa går fortfarande bra, fast det blir ett väldigt konstigt ämne bland annat ett ämne som kan alstras genom rörelse.

Att kalla värme för ett ämne och tillskriva den alla kända egenskaper för värme är väl mest ett ordbyte. Såvitt jag förstår gav antagandet att det var ett ämne inga nya, korrekta insikter i hur värme fungerade. Därför har jag svårt att se i vilken mån forskare och ingenjörer hade nytta av teorin (annat än som ett sätt att visualisera). De hade nytta av sina insikter i vad värme är och hur de fungerar. Att de valde att se den som ett ämne gjorde varken till eller från.

Sensemaker

Lena Synnerholm sa...

För mej är det inte meningsfullt, att tala om värme som ett ämne. I alla fall inte annat än metaforiskt. För mej är värme rörelse, hos atomer eller molekyler. Därmed kan man inte se den, bara se effekterna, och kanske känna den. Det finns förstås andra energiformer, som kan omvandlas till värme. Men det är en annan historia.

Anonym sa...

Lena, du får sätta dig i det kunskapsläge som motsvarar caloric teorin. Caloric teorin kommer från en tid då det inte gick att observera vare sig molekyler eller atomer -deras existens och form var omtvistad. Det mest kännetecknande för rörelse är att den rör sig. Att förklara värme som en rörelse utan observerbar rörelse därför att pyttesmå saker rör sig fram och tillbaka skulle vara en ganska ovetenskaplig ad-hoc förklaring, klart stridande mot den vetenskapliga principen om att en teori skall vara så enkel som möjligt.

Nu för tiden, med observerabara atomer och molekyler, vet vi att det är rimligast att kalla värme har flera egenskaper gemensamt med det vi vanligtvis kallar för rörelse (men mycket få egenskaper gemensamt med det vi kallar ett ämne). Därför är det rimligt att kalla det en rörelse.

I caloric-teorins dagar var benägenheten att vilja kalla värme för ett ämne med väldigt märkliga egenskaper för ett ämne eller en rörelse med väldigt märkliga egenskaper för en rörelse (såsom att den faktiskt inte rör sig, att denna rörelse faktiskt kan spridas genom vacuum och uppstå spontant) bara en manifestation av vissa intellektuella människors önskan att vrida på ord och kalla saker för något som det uppenbarligen inte är.

Sensemaker

Lena Synnerholm sa...

Okej, jag förstår hur du menar. Det fanns två konkurrerande hypoteser, som båda hade problem. Idén att värme är en sorts rörelse, visade sej vara närmast sanningen. Fast det kom dom inte på, förrän långt senare.