[1]
Theorema physicum
Mitä tiheämpi ja painavampi kappale on, sitä nopeammin se ottaa vastaan tietyn määrän lämpöä tai kylmyyttä, joka ei ole ristiriidassa sen luonteen kanssa, ja sitä nopeammin se myös välittää saman ominaisuuden lähellään oleviin esineisiin.
Herra Musschenbroek sanoo teoksensa Physica Svecana1 pykälässä 803, että mitä painavampia ja kovempia kappaleet (mm. rauta, kupari, kivet) ovat, sitä hitaammin ne kuumenevat, mutta ne myös säilyttävät kuumuutensa varsin kauan, ja samassa pykälässä, että mitä kevyempiä kappaleet ovat, sitä nopeammin kuumuus niistä häviää. Suuri Klingenstiernamme esittää verrattomissa huomautuksissaan2 tätä pykälää vastaan vain nämä muutamat sanat: Muistelen lukeneeni tri Martinen lämpömittareita koskevasta kirjasta3, että elohopea lämpenee ja menettää lämpönsä melko nopeasti, vaikka se on tihein olemassa oleva neste.4
Koska fysiikassa kuitenkin on hyvin tärkeätä tietää, jäähtyvätkö ja lämpiävätkö tiheät vai harvat kappaleet nopeammin ja myös levittävätkö ne kylmyyttä ja lämpöä nopeammin, koska ne fyysikot, joita olen henkilökohtaisesti tavannutkin, näyttävät olevan enimmäkseen samaa mieltä kuin herra Musschenbroek ja koska totuuden selvittäminen tästä asiasta kuitenkin avaa tasaisen ja yksinkertaisen tien lukemattoman monien tähän liittyvien luonnonilmiöiden selittämiseen, se tuntuu ansaitsevan tarkempaa tutkimista. Pyrin tällä kertaa ainoastaan saamaan lukijan vakuuttuneeksi itse väitelauseen todenmukaisuudesta, joskus toiste (jos Jumala suo) siitä, miten laajasti tämä totuus vaikuttaa luonnossa kaikkialla.
Ryhtymättä mihinkään keskusteluun siitä, ovatko lämpö ja kylmyys ainetta vai eivät, onko niillä painoa, kitkaa jne., tarkoitan niillä vain sitä kappaleissa tapahtuvaa muutosta, jota nykyisin yleisesti mittaamme lämpömittareilla, eli sitä luonnon voimaa, joka[2] lämpömittarissa laajentaa ja supistaa elohopeaa, jolloin sitä sanotaan ensiksi mainitussa tapauksessa lämpenemiseksi, mutta jälkimmäisessä tapauksessa kylmenemiseksi, vaikkakin nämä ilmiöt tapahtuvat ainoastaan elohopean tilan suhteellisina muutoksina ja ovat itsessään saman voiman eriasteisia ilmauksia.
Yritän perustella asiaa osaksi hra Musschenbroekin itsensä esittämillä huomioilla, osaksi myös omilla havainnoillani ja yleisellä kokemuksella.
Hän sanoo pykälässä 799: ”Jos kahdesta aivan samanlaisesta kappaleesta, jotka ovat samaa ainetta ja yhtä kuumia, toinen asetetaan kovan ja tiheämmän, toinen pehmeän ja rakenteeltaan harvemman kappaleen päälle, menettää kovan ja tiheämmän kappaleen päälle asetettu enemmän ja nopeammin lämpöä kuin toinen, joka on sijoitettu pehmeämmän päälle”, ja pykälässä 791: ”Kun kuuma kappale asetetaan vähemmän kuuman kappaleen päälle, se antaa toiselle osan lämmöstään, mutta menettää itse saman verran kuin toiselle antaa ja jatkaa lämmön luovuttamista, kunnes molemmat ovat yhtä lämpimiä.” Kun nyt siis kaksi samanmuotoista ja samasta aineesta tehtyä kappaletta asetetaan yhtä kuumina toinen tiheämmän ja toinen harvemman kappaleen päälle ja ne menettävät erilaisen määrän lämpöä, nimittäin tiheämmän kappaleen päällä oleva enemmän ja harvemman kappaleen päällä oleva vähemmän, ottavat ympäröivät kappaleet, joihin ne ovat kosketuksessa, myös vastaan erilaisen määrän lämpöä. Nämä hehkuvan kuumiksi kuumennetut kappaleethan ovat kosketuksissa vain ilman sekä allaan olevan kappaleen kanssa, joten väistämättä toinen noista kuumennetuista kappaleista on luovuttanut ilmaan tai allaan olevaan kappaleeseen enemmän kuin toinen. Kirjoittaja on epäilemättä[3] suorittanut kokeensa samassa tai ainakin kutakuinkin samanlaisessa ilmassa, joten saajana ei ole voinut olla ilma, koska oletettavissa ei ole mitään syytä, jonka takia samanlainen ilma olisi imenyt itseensä aivan erilaisen määrän lämpöä samanlaisista ja yhtä lämpimistä kappaleista. Jäljelle jääkin vain se päätelmä, että nopeammin jäähtynyttä kappaletta kannatellut sen alla ollut esine on ottanut vastaan enemmän lämpöä kuin se, joka on kannatellut myöhemmin jäähtynyttä, ja koska kirjoittaja sanoo ensiksi mainitun kappaleen olleen tiheämpi, sen on täytynyt ottaa vastaan enemmän lämpöä kuin harvempi kappale samassa ajassa. Mikä oli todistettava.
Herra Musschenbroek kirjoittaa pykälässä 800 näin: ”Sama (nimittäin edellisessä pykälässä mainittu) ilmiö tapahtuu myös juoksevissa aineissa. Sijoitettakoon yhtä lämmintä ilmaa, vettä ja elohopeaa kolmeen yhtä suureen astiaan. Sijoitetaan sitten niihin kolme yhtä suurta ja yhtä lämmintä raudankappaletta, jolloin lämpönsä säilyttää kauimmin se, joka sijoitettiin ilmaan, sitä nopeammin jäähtyy veteen sijoitettu ja nopeimmin elohopeaan sijoitettu kappale.” Tämä havainto taas on väitelauseelleni selvin toivottavissa oleva todistus. Jos nimittäin elohopeaan sijoitettu raudankappale menetti nopeimmin lämpönsä eikä kerrassaan mitään muuta lämmön vastaanottajaa ollut tapahtumassa mukana, täytyy saman aineen ottaa muita juoksevia aineita5 nopeammin vastaan siihen sijoitetun kappaleen lämpö. Seuraavaksi jäähtyi veteen sijoitettu rauta, joten vesi otti lämpöä vastaan hitaammin kuin elohopea. Viimeisenä jäähtyi ilman ympäröimä rauta, joten ilma siis otti hitaimmin vastaan raudassa olevan kuumuuden. Ja koska noiden juoksevien aineiden tiheys noudattaa samaa järjestystä kuin niiden lämmön vastaanottamisen nopeuskin, näyttää[4] toivottu todistus täten toteutuneen.
En kuitenkaan voi mitenkään olla kirjoittajan kanssa samaa mieltä tämän ilmiön syystä. Samassa pykälässä sanotaan näin: ”Sillä kun kuumuus siirtyy kappaleesta toiseen, se pakostakin saattaa tämän osat liikkeeseen; koska niitä on koossa runsaammin ja tiiviimmin tiheämmässä ja kovemmassa kappaleessa, niiden liikahtelu on vaivalloisempaa ja kuluttaa enemmän kuumuuden voimia, mistä syystä kuumennettu kappale näyttää menettäneen kuumuutensa nopeammin ja vastaanottava kappale saaneen sitä itseensä vähemmän.”
Hra Musschenbroek nimittäin pitää pykälässä 788 selvänä, että lämpö eli tuli on ainetta, ja minä taas voinen pitää selvänä sitä, ettei luonnossa mikään aine tuhoudu, vaikka se monenlaisin tavoin muuttuu, tiivistyy tai laajenee. Annetaanpa nyt elohopeaan upotetun raudan sisältämä kuumuuden määräksi 40 ja elohopean kylmyyden arvoksi 0 sillä hetkellä, kun rauta siihen sijoitettiin ja antakaamme elohopean kokonaan peittää rauta. Jos nyt elohopea on ottanut kirjoittajan väitteen mukaisesti vastaan raudan lämmöstä 10 yksikköä, hän väittää siis lämmön loppuosan kadonneen, jolloin siis 40:stä yksiköstä olisi jäljellä 20 eikä kadonnutta erää voida löytää sen paremmin raudasta kuin elohopeastakaan, vaikka rautaa ympäröivän elohopean tiheyden takia mikään muu aine ole voinut saada siitä osaakaan, ja siis 20 yksikköä tulesta olisi tuhoutunut. Tämä on järjenvastaista ja vastoin hänen omiakin sanojaan pykälässä 791: ”Se antaa toiselle osan lämmöstään, mutta menettää itse saman verran kuin toiselle antaa”, koska tässä tapauksessahan rauta ei siirtänyt eteenpäin enempää kuin 10 yksikköä, mutta menetti 30.
Herra kanslianeuvos Klingenstierna uskoo huomautuksissaan sivulla 6056, että kirjoittajan nuo havainnot voidaan parhaiten selittää olettamalla, että kappaleet ottavat vastaan painoaan ja tiheyttään vastaavan määrän kuumuutta, ennen kuin ne tuntuvat yhtä lämpimiltä.[5] Mutta koska samaisissa pykälissä ei varsinaisesti käsitellä sitä lämmön määrää, jonka kumpikin kappale ottaa vastaan, vaan tämän tapahtumiseen kuluvaa aikaa, tuo lause ei tunnu myöskään mitenkään riittävästi valaisevan tätä ilmiötä.
Tutkiakseni tämän takia asiaa tarkemmin otin yhtä pitkät eli 1 kyynärän pituiset ja yhtä paksut eli poikkileikkaukseltaan neliömäiset 1 tuuman paksuiset puu- ja rautakappaleen ja annoin niiden talvella lojua huoneessani, kunnes ne olivat kauttaaltaan yhtä lämpimiä. Otin toiseen käteeni toisen näistä esineistä ja toiseen toisen ja lähdin ulos pakkaseen, mutta vaikka ne kumpikin aluksi tuntuivat käteen sangen lämpimiltä, rauta alkoi ensimmäisenä jäähtyä, vaikka se lepäsi liikkumattomana, ja lopulta rautakappaleen kylmyys kädessäni kävi sietämättömäksi. Puu ei tällaista vaikutusta aiheuttanut. En tämän perusteella tee mitään päätelmiä siitä, että pakkasilmassa oleva rauta tuntui käteen kylmemmältä kuin yhtä kylmä puu, mutta siihen, että kämmeneni suojassa oleva raudan osa muuttui sietämättömän paljon kylmemmäksi kuin puu, en näe muuta syytä kuin sen, että käden ulkopuolella oleva rauta otti ilmasta kylmyyttä nopeammin kuin puu, siirsi sitä nopeammin kädessä olevaan rautaan ja tämä taas nopeammin käteen. Saman väitelauseen mukaisesti kädessäni ollut rauta veti nopeammin luontaista lämpöä kädestäni ja välitti sen ilmaan nopeammin kuin puu, joka on harvempaa ainetta.
Kun molemmat kappaleet olivat lojuneet pakkasessa, kunnes ne olivat täysin jäähtyneet, porasin kumpaakin varten reiän lautaan ja työnsin niitä sen läpi kämmenenleveyden verran ja sijoitin ne makaamaan lieden reunuskiveykselle pesässä loimottavan tulen eteen, niin että tuli saattoi paahtaa pitempää päätä, mutta lyhempi pää oli laudan suojassa. Laudan läpi työnnetty raudan pää alkoi neljännestunnin kuluttua lämmetä ja muuttui vähitellen aivan polttavan kuumaksi, mutta puun samassa päässä oli havaittavissa tuskin lainkaan lämpöä, niin ettei se läheskään vastannut samaa lämpömittarin lukemaa.
Otin myös hieman runsaan korttelin vetoisen upokkaan ja täytin sen murskatuilla munankuorilla, työnsin[6] sitä pajassa vähitellen kohti ahjon tulta ja sen lopulta lämmettyä peitin sen kokonaan vahvaan hiillokseen ja lietsoin palkeilla tulta parhaani mukaan puolen tunnin ajan, jotta munankuoret palaisivat kalkiksi, mutta sain asiaa tarkastaessani todeta, että sisimmät munankuoret olivat vielä aivan koskemattomia. Eiköhän painavampi ja tiheämpi kappale, vaikkapa tilavuudeltaan ja muodoltaan samanlainen rautakimpale, olisi tuossa ajassa kuumentunut läpikotaisin?
Luonto itse antaa käsiimme satoja todisteita tässä asiasta. Jokainen talonpoika toki tietää, että jos hän sitoisi toisen kätensä peitoksi käden mukaiseksi muotoillun rautalevyn ja peittäisi toisen samankokoisella ja yhtä ohuella villatilkulla ja lämmittäisi ne molemmat tulen ääressä hyvin, raudan peittämä käsi kärsii pakkasessa paljon pahemmin kuin täysin paljas käsi, vaikka sen kirjoittajan väitelauseen mukaan pitäisi tiheänä kappaleena sopia pitkäaikaiseksi suojaksi kylmyyttä vastaan ja ainakin auttaa asiassa paremmin kuin toista kättä peittävä ohut villatilkku.
Tiili voidaan kuumentaa toisesta päästään melkein tulipunaiseksi, silti sitä voidaan toisesta päästä pitäen kantaa kädessä, mutta tyhminkin tietää, ettei näin voi menetellä samankokoisen ja samanmuotoisen rautakappaleen kanssa.
Viidestä kuuteen korttelin paksuisen untuvasuojauksen keskellä voidaan munia ja omenoita jne. säilyttää lämmittämättömässä aitassa läpi talven pakkasen niitä vahingoittamatta, kunhan ne hyvissä ajoin syksyllä suojataan tarkoin, mutta jos joku luottaa samalla lailla yhtä paksuun kivimuuriin, hän katuu sitä kyllä varmasti jo ennen kevättä.
Jos olen näillä todisteillani joko saanut lukijan vakuuttumaan väitelauseeni paikkansapitävyydestä tai antamaan jollekulle aiheen asian tarkempaan tutkimiseen, olen kummassakin tapauksessa saavuttanut tavoitteeni. Heti kun totean sen aiheelliseksi,[7] olen yhtä valmis peruuttamaan väitteeni kuin muussa tapauksessa nojautumaan siihen, vaikka olen toki vuosien ajan monenlaisissa tilanteissa nähnyt sen vastaavan luonnon toimintaa.
Alavetelissä 3. elokuuta 1764
Anders Chydenius
Suom. Heikki Eskelinen
