Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

Ενέργεια και Μικρόκοσμος

1. Κληρονομιά της φιλοσοφίας

Η Φυσική είναι θυγατέρα της Φιλοσοφίας. Το «σπέρμα» που γονιμοποίησε τη μητέρα ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ εμπεριείχε τρία κυρίως συστατικά. α. ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΕΜΠΕΙΡΙΑ β. το πανάρχαιο ενδιαφέρον για τον ΟΥΡΑΝΟ και γ. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ. Το αρχικό δηλαδή σχέδιο δεν περιείχε την απρόβλεπτη κατάδυση στα σπλάχνα της ύλης, στον μαγικό ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟ

Ωστόσο, τον 18ο αιώνα, κληρονομημένη από τη Φιλοσοφία, έκανε την εμφάνισή στην Επιστήμη η ιδέα ότι « υπάρχει ένας Μικρόκοσμος της ύλης » με αδιάκοπα κινούμενα σωματίδια τα οποία «το μόνο που κάνουν» είναι «να κινούνται και να αλληλεπιδρούν».

Η ιδέα δεν ήταν καινούρια. Είχε για πρώτη φορά κάνει την εμφάνισή της στο έργο των Ελλήνων προσωκρατικών. Στους αιώνες που ακολούθησαν δεν κυριάρχησε αλλά και δεν εξαφανίστηκε. Διατηρήθηκε ως ιδέα «περιθωριακή» και τον 18^ο αιώνα «ξαναζωντάνεψε» με απρόβλεπτες συνέπειες.

Τον 19ο αιώνα η ΙΔΕΑ οδήγησε σε δύο σημαντικές ΘΕΩΡΙΕΣ,

την Ατομική Θεωρία η οποία θεμελίωσε τη «νεογέννητη» τότε Χημεία

και την Κινητική θεωρία η οποία θεμελίωσε την Θερμοδυναμική

έναν νέο τομέα της Φυσικής στον οποίο πρωταγωνιστεί η έννοια ενέργεια.

2. Η εμπειρία, η ιδέα, η Θεωρία

Η εμπειρία «ένα αέριο έχει πάντα πίεση» οδήγησε

στην ιδέα για έναν Μικρόκοσμο με κινούμενα σωματίδια και στην Κινητική Θεωρία.

Μακρόκοσμος και Μικρόκοσμος

Η επιστημονική σκέψη της εποχής μας «αντικρίζει» από τη μια τον Μακρόκοσμο των αισθήσεων, των μετρήσεων και των άμεσων εμπειριών. Είναι ένας Κόσμος με θερμόμετρα, πιεσόμετρα , μπαλόνια, μηχανές εσωτερικής καύσεως και σωληνάκια με υγρά, ο οποίος περιγράφεται με τις «δικές του» έννοιες. Ανάμεσά τους η πυκνότητα, η πίεση, η θερμοκρασία, η θερμική ενέργεια.

Από την άλλη ο Μικρόκοσμος της Ύλης είναι ένας σαγηνευτικός «βυθός» στον οποίο η ανθρώπινη Σκέψη θέλει να καταδυθεί.

Ένας κόσμος χωρίς κρύο ούτε ζέστη, χωρίς καθόλου γεύσεις, χρώματα και μυρωδιές

Ένας «μαγικός κόσμος», με απίστευτα πολλά σωματίδια

τα οποία δεν κάνουν τίποτε άλλο από το να κινούνται και να αλληλεπιδρούν,

ένας κόσμος «πλάσμα της ανθρώπινης σκέψης», μια θεωρία επιστημονική

Από τη σκοπιά του Μικρόκοσμου, κάθε κομμάτι Σύμπαντος δεν είναι παρά ένα σύνολο ορισμένου ΑΡΙΘΜΟΥ σωματιδίων τα οποία ΚΙΝΟΥΝΤΑΙ και ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΟΥΝ μεταξύ τους.

Στην περίπτωση μάλιστα που το υπό μελέτη σώμα είναι ΙΔΑΝΙΚΟ ΑΕΡΙΟ

το μόνο που συμβαίνει στον Μικρόκοσμο είναι η ΚΙΝΗΣΗ ορισμένου ΑΡΙΘΜΟΥ σωματιδίων.

3. Ενέργεια και Μικρόκοσμος

Καθένα από τα αόρατα αυτά σωματίδια έχει ταχύτητα, μάζα και κινητική ενέργεια, ενώ η μεταξύ τους αλληλεπίδραση περιγράφεται με την έννοια δυναμική ενέργεια.

Η ενέργεια, σε επίπεδο Μικρόκοσμου είναι μόνο κινητική και δυναμική

Σε επίπεδο Μακρόκοσμου οι σχετικές έννοιες είναι η πυκνότητα ενός υλικού ,

η πίεση ενός αερίου, η θερμοκρασία ενός σώματος, και η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος- συστήματος που μπορεί να είναι θερμική ( εσωτερική ) ενέργεια ή και χημική ( εσωτερική ) ενέργεια. Ας δούμε πώς σχετίζονται οι τιμές αυτών των ποσοτικών εννοιών με τις εικόνες του Μικρόκοσμου

Η πυκνότητα ενός υλικού , διαμορφώνεται μόνο από το «πόσα είναι τα σωματίδια σε κάθε μονάδα όγκου και όχι από το «πόσο γρήγορα κινούνται».

Η πίεση ενός αερίου διαμορφώνεται και από το «πόσα είναι σε κάθε μονάδα όγκου» αλλά και από το «πόσο γρήγορα κινούνται».

Τον 19^ο αιώνα οι θεωρητικοί , ύστερα από αναζητήσεις αρκετών δεκαετιών οδηγήθηκαν στο συμπέρασμα ότι

Η θερμοκρασία ενός σώματος διαμορφώνεται μόνο από το «πόσο γρήγορα κινούνται» και όχι από το εάν «σε κάθε κυβικό εκατοστό είναι λίγα ή πολλά». Συγκεκριμένα είναι ανάλογη με το μέσο όρο των κινητικών ενεργειών των σωματιδίων.

Τον μέσο όρο τον βρίσκουμε εάν διαιρέσουμε το άθροισμα των κινητικών ενεργειών με το πλήθος των σωματιδίων.

Θερμική ενέργεια και Μικρόκοσμος

Η θερμική εσωτερική ενέργεια κάθε σώματος διαμορφώνεται από το άθροισμα των κινητικών ενεργειών των σωματιδίων .

19^ος αιώνας. Το σωματίδιο άτομο είναι συμπαγές και αδιάσπαστο

Επί έναν περίπου αιώνα, τόσο για τους χημικούς όσο και για τους φυσικούς, καθένα από αυτά τα σωματίδια ήταν σωματίδιο συμπαγές και αδιάσπαστο. Για τους χημικούς, το όνομά του ήταν μόριο το οποίο θεωρούσαν ότι συγκροτείται από αδιάσπαστα άτομα. Και η ποικιλία των αδιάσπαστων αυτών ατόμων ήταν ( τελικά ) 92 διαφορετικά άτομα από το πιο ελαφρό, το άτομο του υδρογόνου, μέχρι το πιο βαρύ, το άτομο του ουρανίου.

Στη σκέψη δηλαδή των ερευνητών του 19ου αιώνα, το άτομο διατηρήθηκε ως ένα πολύ σκληρό συμπαγές σφαιρίδιο, ένα κουκούτσι που δεν σπάει ποτέ.

[

20^ος αιώνας. Ένα απίστευτο πιτσιρίκι στα σπλάχνα του ατόμου

Ωστόσο τον 20^ο αιώνα η πανάρχαια εικόνα άλλαξε. Και όλα άρχισαν στα τέλη του 19ου αιώνα όταν οι Ευρωπαίοι ανακάλυψαν ένα απίστευτα μικρό σωματίδιο εγκατεστημένο στα σπλάχνα του ατόμου.

Το άγνωστο αυτό σωματίδιο ήταν τελικά ένα, χωρίς προηγούμενο, πιτσιρίκι με μάζα 1800 φορές μικρότερη από τη μάζα του ελαφρότερου ατόμου, του μικρότερου δηλαδή -μέχρι τότε- πράγματος που είχε συλλάβει ο ανθρώπινος νους .

Το «πιτσιρίκι» ανακαλύφθηκε, το 1897, στο Cambridge της Αγγλίας μέσα από ένα πείραμα με σωλήνα 27 εκατοστών και οι Άγγλοι ήταν οι «νονοί». Το βάφτισαν electron, δημιουργώντας μία ακόμα λέξη με υλικό από τη δεξαμενή της ελληνικής γλώσσας. Οι Έλληνες το είπαν ηλεκτρόνιο.

Ήταν το πρώτο στοιχειώδες σωματίδιο και στοιχειώδες σημαίνει ότι δεν αποτελείται από άλλα μικρότερα σωματίδια . Και πολύ γρήγορα έγινε το βασικό στοιχείο των μοντέλων που προτάθηκαν για τη δομή του ατόμου με πυρήνα θετικού φορτίου και ηλεκτρόνια για να γίνει στη συνέχεια το αγαπημένο των Χημικών και των Ηλεκτρολόγων .

Για τους χημικούς ενδιαφέρον βρίσκεται στα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας.

Για τους ηλεκτρολόγους το ενδιαφέρον βρίσκεται σε ηλεκτρόνια που έχουν αποδράσει από την επίδραση του πυρήνα, δεν ανήκουν σε καμία στιβάδα και χαρακτηρίζονται ελεύθερα .

Εκτός από των άλλων το σωματίδιο ηλεκτρόνιο πρόσφερε μια απάντηση στο ερώτημα «πώς παράγεται το φως ;» αλλά έγινε τελικά και ένας από τους μεγαλύτερους πρωταγωνιστές στην οικοδόμηση της Φυσικής του 20^ου και του 21^ου αιώνα.

Χημική ενέργεια και Μικρόκοσμος .

Στον 20^ο αιώνα εδραιώθηκε η θεώρηση ότι στο εσωτερικό κάθε μορίου τα άτομα συγκρατούνται σε αυτό εξ αιτίας ορισμένων μεταξύ τους αλληλεπιδράσεων. Τις αλληλεπιδράσεις η Φυσική τις περιγράφει α. με την έννοια δύναμη β. με την έννοια δυναμική ενέργεια. Στην περίπτωση αλληλεπιδράσεων μεταξύ ατόμων η έννοια δυναμική ενέργεια αποδείχτηκε πιο αποτελεσματική. Σε γλώσσα Χημείας η αλληλεπίδραση ανάμεσα στα άτομα που συγκροτούν το μόριο συνηθίζεται να αποδίδεται με τη λεγόμενη ενέργεια χημικού δεσμού.

Κάθε χημική αντίδραση είναι διαδικασία κατά την οποία ορισμένη διάταξη των ατόμων (ή των ιόντων ή και των μορίων) μεταβάλλεται και προκύπτει μια διάταξη διαφορετική.

Μπορούμε να «μεταφράσουμε» λέγοντας ότι – σε επίπεδο Μικρόκοσμου- μεταβάλλονται οι τιμές της δυναμικής ενέργειας που περιγράφουν τις διάφορες αλληλεπιδράσεις.

Σε επίπεδο Μακρόκοσμου λέμε ότι μεταβάλλεται η (εσωτερική) χημική ενέργεια.