V prvi polovici devetnajstega stoletja je bil zahodni svet že sredi industrijske dobe. Odpiralo se je vse več tovarn, ki so si prizadevale, da bi s čim manj stroški proizvedle čim več izdelkov. V želji, da bi čim bolj povečali produktivnost, so si tovarnarji kmalu postavili vprašanje, ali obstajajo morda kakšne naravne meje pri tem, koliko dela je mogoče opraviti v danih okoliščinah. Ljudje se ob pretiranem garanju seveda utrudimo in moramo počivati, drugače lahko zbolimo. Kaj pa stroji?
Kako deluje parni stroj?
Eden prvih raziskovalcev, ki se je resno lotil študija načel delovanja parnih strojev, je bil francoski fizik in vojaški inženir Sadi Carnot (1796–1832). Čeprav je že dokaj mlad umrl za kolero in so zaradi narave njegove bolezni večino njegovih zapiskov preventivno sežgali, se je kljub temu ohranilo kar nekaj njegovih spoznanj, ki jih imamo še danes za temeljne na področju študijev strojev. Carnota je zanimalo predvsem delovanje parnih strojev. Z opazovanjem njihovega delovanja je poskušal odkriti univerzalna načela, po katerih delujejo toplotni stroji.
Toplotni stroj je, zelo splošno rečeno, naprava, ki zna pretvarjati toplotno energijo v mehansko delo. Prvi toplotni stroji, ki so ob odkritju povzročili pravo tehnološko revolucijo, so delovali na podlagi spoznanja, da se voda ob izparevanju oziroma prehajanju iz tekočega v plinasto stanje, ko jo segrevamo, volumsko močno razširi. Pojav je seveda nekaj vsakdanjega in ga srečujemo dan za dnem v kuhinji, ko nam začne recimo dvigovati pokrovko na loncu vrele vode. To silo, ki dviguje pokrovko med kuhanjem, zna parni stroj s posebnim mehanizmom pretvoriti v vrtenje kolesa. Parni stroj lahko tako poganja parno lokomotivo ali pa opravlja katero koli drugo mehansko delo.
Carnot je poskušal delovanje parnega stroja razumeti po analogiji z vodnim mlinom, pri čemer je vodo nadomestil kalorik. S to besedo so poimenovali domnevni materialni nosilec toplote, a v resnici ni nihče prav dobro vedel, kaj naj bi ta beseda označevala. Kalorik naj bi se, podobno kot voda pri vodnem mlinu, pretakal skozi različne stopnje delovanja parnega stroja, posledica pretakanja pa je bilo opravljanje mehanskega dela.
Romantika in fizika
V začetku devetnajstega stoletja se je veliko takratnih učenjakov začelo zanimati tudi za medsebojne odnose med različnimi naravnimi silami in močmi, ki so jih takrat že poznali. Z raziskavami na področju elektrike in magnetizma so namreč prišli do spoznanja, da kalorik ni edina naravna sila, ki lahko opravlja delo. Tako se je odprlo pomembno vprašanje, kako lahko ena vrsta sile povzroči nastanek druge.
Zanimivo je, da je imela na iskanje povezave med delovanjem različnih naravnih sil pomemben vpliv tudi romantična filozofija, ki je verjela v nekakšno globinsko povezanost in enotnost vse narave. Misleci, ki so izhajali iz romantičnega kroga, so bili trdno prepričani, da so različne naravne sile nekako povezane, samo še odkriti je bilo treba, kakšna je njihova povezava.
Eden prvih, ki je dobil idejo o univerzalnem pretvarjanju ene oblike energije v drugo, je bil Julius Robert von Mayer (1814–78), ko je kot ladijski zdravnik potoval po tropskih krajih. V tistem času je bilo še vedno zelo priljubljeno zdravljenje s puščanjem krvi, ki naj bi nekako uravnalo medsebojno razmerje telesnih tekočin in pregnalo bolezen. Ko je nekoč več članov posadke na ladji hkrati zbolelo in jim je Mayer po takratni doktrini izpustil nekaj krvi, je presenečen ugotovil, da je v tropih tudi venozna kri zelo živo rdeča oziroma zelo podobna arterijski. Ta pojav so verjetno že prej opazili tudi drugi ladijski zdravniki, ki so pluli po tropskih morjih, a mu nihče ni posvečal pretirane pozornosti. Mayer je bil prvi, ki se je kot naravoslovec vprašal, kje je vzrok za tako živo barvo venozne krvi. Kmalu je našel tudi prepričljiv odgovor: ker človeško telo v toplih krajih ne porabi toliko kisika za ohranjanje stalne telesne temperature kot v hladnejših, ostane v venozni krvi več kisika, kar ji da značilno živo barvo.
Na podlagi te ugotovitve je postavil hipotezo, da se v človeškem telesu kot tudi drugje v naravi različne energije le medsebojno pretvarjajo iz ene oblike v drugo, vsa količina energije pa se ohranja. Mayer sicer ni imel formalne fizikalne in matematične izobrazbe, saj je bil le zdravnik, zato svojih ugotovitev ni opisal na način, ki je bil takrat ustaljen v znanstvenih krogih. To je verjetno tudi razlog, zakaj ga najprej nihče ni jemal resno. Šele proti koncu življenja, ko je že skoraj obupal, da ga bodo kdaj zares priznali za resnega znanstvenika, so njegove spise odkrili drugi ugledni fiziki in mu izrekli priznanje.
Bog in stroji
Razprave, povezane s pojmom energije, so se na začetku močno naslanjale tudi na ekonomsko teorijo. V ospredju je bila vzporednica med učinkovitostjo delovanja narave in delovanja družbe oziroma nastajajočega kapitalističnega sistema. V okviru ekonomije je imelo velik pomen raziskovanje tega, kako neki sistem pripraviti do tega, da bo deloval čim učinkoviteje. Povsem na mestu je bilo torej tudi vprašanje, kako pripraviti naravo do tega, da bo čim učinkoviteje opravljala delo za ljudi.
Poleg ekonomskega motiva za raziskovanje delovanja naravnih in umetnih strojev je bil pomemben tudi teološki motiv. Veliko intelektualcev je bilo namreč prepričanih, da je Bog ustvaril naravo tako, da deluje kar se da popolno. Iskanje popolnega stroja je bilo hkrati tudi približevanje Bogu in popolnosti, ki jo je ta zapisal v samo naravo.
Zametek zakona o ohranitvi energije, ki ga je postavil raziskovalec energetike strojev James Prescott Joule (1818–89), izhaja prav iz prepričanja, da se tistega, kar je Bog ustvaril, ne da uničiti oziroma izničiti z naravnim procesom. Tako je zapisal: »Pojavi v naravi, naj bodo mehanski, kemični ali življenjski, temeljijo skoraj povsem na neprestanem medsebojnem pretvarjanju privlaka na daljavo, živih sil in toplote.«
Joule je bil sin bogatega lastnika pivovarne, tako da z denarjem ni imel težav in se je lahko v miru ukvarjal s poskusi na področju delovanja strojev. Njegov morda najpomembnejši prispevek k znanosti o energiji je bila točna meritev pretvorbenega količnika med opravljenim delom in toplotno energijo. Joule je prvi natančno izmeril, za koliko se segreje določena količina vode, če recimo z mešanjem na njej opravimo neko mehansko delo. To je bila ključna meritev, ki je omogočila natančno obravnavanje in preračunavanje pretvarjanja ene vrste energije v drugo energijo oziroma v opravljeno mehansko delo.
Tudi stroji imajo omejitve
Tudi za Williama Thomsona (1824–1907), ki ga bolje poznamo kot lorda Kelvina, je bila narava velikanski parni stroj. Iskanje čim učinkovitejšega stroja je hkrati razumel tudi kot iskanje načel, po katerih deluje sama narava. Želel je odkriti, kako narava izvaja procese, da bi enake rešitve lahko uporabil tudi pri umetno ustvarjenih strojih.
Thomson je v seriji člankov, ki jih je objavil v sredini devetnajstega stoletja, postavil temelje sodobne termodinamike, kot strokovno pravimo področju znanosti, ki se ukvarja z zakonitostmi delovanja toplotnih strojev. Zapisal je oba temeljna zakona termodinamike: zakon o ohranitvi energije in entropijski zakon. Thomson je bil tudi prvi, ki je začel uporabljati pojem energija v pomenu, kot ga poznamo danes v fiziki. Pred tem je beseda energija lahko pomenila tako silo kot tudi moč.
Zelo pomembna je bila tudi njegova formulacija entropijskega zakona, ki je vplivala na takratno dojemanje narave oziroma sveta kot celote. Bistvo tega zakona je namreč, da zaloga dela, ki ga lahko opravi narava, ni neskončna. Pri pretvarjanju toplote v delo se v delo nikoli ne more pretvoriti prav vsa toplota, ampak je del ostane v obliki toplote. V idealnem primeru toplotnega stroja je razmerje med oddano in sprejeto toploto kar enako razmerju med obema absolutnima temperaturama, pri katerih se to zgodi.
Ugotovitev, da je delež toplote, ki se lahko pretvori v delo, odvisen od temperaturne razlike, je pomenila, da se lahko nekoč, ko ne bi bilo več nobenih temperaturnih razlik, pojavi tako imenovana toplotna smrt vesolja. Zaloge energije, ki je v naravi na voljo za opravljanje mehanskega dela, torej niso neskončne. Količina energije, ki se lahko uporabi za opravljanje dela, se torej s časom zmanjšuje. Sklep iz entropijskega zakona je bil torej pesimističen: količina za človeka koristne energije v naravi se s časom nepovratno zmanjšuje.
