Většinou ho vnímáme spíše jako nepříjemný, ale i osvěžující pocit doprovázející náš každodenní život a to zejména v období kdy před ním není ve venkovním prostředí úniku. Ano jde o mráz, chlad, zimu a našli bychom řadu dalších pojmenování tohoto jevu, o kterém se však jen málokdo a ještě méně častěji zamýšlíme. Co je jeho skutečnou podstatou? Jaká záhadná síla, energie či látka stojí za všezpomalujícím vlivem tohoto elementu? Tuto otázku si badatelé pokládají už od středověku a možná ještě déle.
Historie zkoumání chladu
Nezanedbatelnou část naší historie zůstával chlad tajemstvím. Nikdo nevěděl co to je a už vůbec, jak využít jeho účinků. Až teprve posledních asi 100 let se stala tato síla neoddělitelnou součástí našich životů, bez kterých si dokážeme svůj den jen těžko představit. Technologii chladu dnes už pokládáme za běžnou, ale jaká byla cesta k jejímu ba jen částečnému uchopení a spoutání?
Takřka až do poloviny 17. století sdíleli vědci jednotný a ortodoxní náhled na tuto sílu, jež převzali od starých Řeků (Aristotelés). A sice, že na světě jsou dvě síly: teplo a chlad, fungující synergicky, jejichž účinky se můžou skládat, nebo i rozdělovat. V těchto časech (počátek 17. stol.) převládal názor, že lidé jsou přírodním silám vystaveni na milost a nemilost, a že jsou vlastně božím dílem. Kdokoliv si tedy zahrával s těmito „božími skutky“, tak činil na vlastní pěst a riziko.
Prvním člověkem, který se rozhodl zkoumat „chlad“ odborněji a zároveň jsou o tom i doložené záznamy byl anglický alchymista Cornelius Drebbel. Ten v létě roku 1620 nejspíš vystrašil krále Jindřicha I., když se s ním vsadil, že dokáže proměnit léto v zimu a také v sázce uspěl. Vzduch se rozhodl ochladit v té době největším zastřešeném prostoru na britských ostrovech. Ve velkém sálu ve Westminsteru. Protože alchymisté a dvorní kouzelníci v té době své objevy a tajemství chránili, tak není přesně doloženo, jak toho docílil.
Avšak doktor s celoživotním zaujetím pro práci toho alchymisty: Andrew Szydlo předpokládá, že Cornelius D. znal účinky soli, které umožňují dosáhnout ještě nižších teplot, při nichž taje led. Podle něj nechal Drebbel naplnit mnoho sklenic ve velké polici ledem se solí a jednoduchým větrákem na ruční pohon přes ně hnal zrychlený vzduch, aby je obtékal a snížil tak svou teplotu. Protože svůj objev vůbec nepopsal, tak nevešel do historie jako vynálezce klimatizace. Ještě smutnější osud přineslo studium chladu Lordu kancléřovi Francisu Baconovi, který jako první používat při svých experimentech vědecké metody a nespoléhal se příliš na dosavadní vědomosti. Zemřel v dubnu roku 1629 na zápal plic, jenž si uhnal při výzkumu vlastností ledu na uchovávání masa, když údajně naplnil mrtvou slepici sněhem a ledem, aby pozoroval její pomalejší zkažení.
Dalším kdo se význačně zasloužil o objevy vztahů mezi teplem a chladem byl irský přírodovědec Robert Boyle. Ten je považován za zakladatele moderní chemie a nejvíce známý pro svou formulaci tzv. Boyelova zákona. Jeho revoluční myšlenkou bylo vyvrátit názor, že chlad je prvotní substancí či látkou. Po zjištění, že voda v soudku váží stejně v kapalném skupenství, tak i v pevném došel k závěru, že se částice vody posouvají dál od sebe. Na základě pokusů v uzavřené skleněné nádobě a vzduchovou pumpou dospěl k názoru, že při ohřívání látek, jako je například vzduch dochází k jejich roztažení a naopak při ochlazování k jejich smršťování. Z toho pro něj vyplynulo, že teplo je určitou formou pohybu ovlivňující všechny částice a při jejich ochlazování se pohybují čím dál tím pomaleji. Byl prvním, kdo si ve svých pracích stěžoval na to, že mu chybí klíčový přístroj – přesný teploměr.
Sklářští mistři z Florence začali vyrábět přesně kalibrované teploměry až počátkem první poloviny 17. století. Zpočátku se jako plnidlo teploměrů používal alkohol, proto byly teploměry většinou několik metrů dlouhé a zatočené do spirály. To by nebylo ještě natolik problematické, jako fakt, že ještě neexistovala žádná všeobecně uznávaná teplotní stupnice. Každý vyráběl jiné teploměry o vlastních stupnicích a rozsahu, takže nebylo možné tyto měřící přístroje standardizovat. Klíčem ke stanovení obecné stupnice měření teploty bylo najít výchozí bod, který má v přírodě vždy stejnou teplotu. Začal se objevovat velký počet stupnic teploty a chladu, který každý vycházel z jiných pevných bodů a měly i různé počty dílků. To samozřejmě nebylo žádoucí pro další přesné studie a způsobovalo chaotické chápání v této oblasti.
Samotný Issac Newton bádal také v této oblasti, konkrétně na tom, čemu sám říkal „škála tepla“. Jím stanovené pevné body na odvození teploty by nám však dnes mohly přijít velmi nepřesné, až úsměvné. Od teploty vody, kterou lidská kůže tak tak snese, teplotu podpaží, nebo třeba teplotu tajícího vosku.
První všeobecně rozšířenou teplotní stupnici vytvořil Daniel Gabriel Fahrenheit, jenž byl úspěšným výrobcem teploměrů pro lékaře. Pro nulovou teplotu použil směs ledu, vody a soli, za to pro horní hodnotu zase teplotu lidského těla (32°F – 96°F). Jeho stupnice se dodnes používá, zejména v USA a na Jamajce. Proslavil se nejspíš především pro své teploměry, u nichž díky rtuti jako plnivu dosahoval mnohem menších rozměrů, než doposud používaných na bázi alkoholu. Švédský astronom a fyzik Anders Celsius přispěl k pokroku v měření tepla zase tím, že jej napadlo rozdělit stupnici na praktičtějších 100 dílků. Zajímavé je, že původní Celsiova stupnice byla oproti té dnešní převrácená. Bod varu vody byl na nule a teplota přeměny vody na led na hodnotě sto, přičemž hodnoty dále stoupaly, jak klesala teplota.
Až botanik Carl Linné navrhl skoncovat s tímto nesmyslem a obrátit hodnoty opačně, tak jak známe Celsiovu stupnici dnes. Za celé toto období vývoje měření tepla napadlo až francouzského fyzika Guillaume Amontona položit si klíčovou otázku.“existuje nějaká spodní hranice tepla?“. Prováděl experimenty se zahříváním a ochlazováním vzduchu, aby pozoroval, jak se rozpíná a smršťuje, tehdy si při ochlazování vzduchu, což mělo za následek snižující se tlak pomyslel:“Co by se stalo, kdyby tento jev pokračoval pořád dál až na nulový tlak?“. To bylo poprvé, co spatřila světlo světa myšlenka „absolutní nuly“.
Vědci tehdy byly jen krůček k pochopení podstaty vlivu tepla a chladu na částice, ale byl tu jeden člověk, který této (správné) teorii zasadil ránu pod pás. Na konci 18. století se objevil koncept tzv.“kalorické teorie“ jejímž zastáncem byl francouzský chemik Antoine Lavoisier. Jeho naprosto mylná teorie (jak se později ukázalo) spočívala v té době těžko vyvratitelném tvrzení, že teplo je látka, nic nevážící tekutina, již nazval „kalorikum“. Dle něj bylo kalorikum samo odpudivou látkou, která věci (částice) odděluje od sebe, jako teplo a tak byl chlad v jeho pojetí způsobený nedostatkem či malým obsahem kalorika. Robert Fox z Oxfordské univerzity potvrzuje to, jak bylo obtížné vyvrátit Lavoisierovu teorii, protože bylo mnohem snazší chápat množství tepla, a přemýšlet o něm jako o tekutině, zatímco uvažovat nad množstvím tepla, jako o vibracích částic v hmotě bylo mnohem složitější.
Ten, komu se povedlo nabourat kalorickou teorii, byl chlapík s velmi pestrou minulostí jménem Benjamin Thompson (známější jako hrabě Rumford). Po tom co se mu jako bývalému britskému vyzvědači v americké revoluci podařilo uprchnout do exilu, se stal vládním ministrem v Bavorsku, kde pod něj spadaly i zbrojovky vyrábějící děla. Tehdy si všiml vzniku velkého tepla při vrtání dělových hlavní vlivem tření vrtáku v díře. Z toho usuzoval, že teplo nemůže být látka, protože ho lze vygenerovat velké množství pouhým třením tupého vrtáku v dělové hlavni. Přesto Lavoisierova teorie převládala až do konce 18. století, což ho však ani jako uznávaného vědce neochránilo před tragickým koncem. Po revolučním kvasu ve Francii byl totiž zatčen a popraven na gilotině a to ne pro svou vědeckou praxi, ale protože byl mimo to i soukromí výběrčí daní.
Rumfordova teorie si na své uznání musela počkat ještě dalších padesát let. Michael Faraday, jenž byl mnohem známější pro své objevy na poli elektromagnetismu se též zasloužil novými poznatky v oblasti zákonů chladu a tepla. Faraday měl za úkol prozkoumat vlastnosti nově objeveného dráždivého plynu zvaného chlór. Provedl velmi nebezpečný experiment, při němž zahříval hydrát chlóru v uzavřené skleněné trubici. Druhý konec trubice měl naopak v ledové lázni. Po chvilce si určitě všiml uvolňujícího se žlutého plynu – chlóru, který na druhé straně trubice vlivem chladu, ale i tlaku zkapalněl. Určitě byl zvědavý a tak se pokusil trubici rozlomit, což způsobilo malý výbuch při němž málem přišel o oči. Stejný pokus učinil i se čpavkem, který z plynného stavu také zkapalněl. Zásadní bylo, že po uvolnění tlaku došlo k prudkému poklesu teploty a na základě toho předpověděl, že bude jednou toto ochlazování užitečné. Touto myšlenkou velmi předběhl svojí dobu, a proto si na své uplatnění v praxi musela počkat ještě pěknou řádku let.
K většímu rozmachu ve využití chladu došlo až po zkrocení parního stroje ve 30. letech 19. století, tedy po objevení principů přeměňující teplo na pohyb. To znamená, že poznatky o fungování „tepelných strojů“ předcházely první studené motory umožňující umělé chlazení. Nicolas Léonard Sadi Carnot se snažil pro slávu Francie oslabené po porážce u Waterloo maximalizovat výkon parního stroje. Odhalil fakt, že čím větší je rozdíl teploty, mezi nejchladnější částí (kondenzátor) a nejteplejší (motor), tím větší práce je vyprodukována. Poznatky, jichž dosáhl, zvěčnil ve své jediné knize – Úvahy o hybné síle ohně (1824), která byla vydána jen v nákladu šesti set výtisků. Dvě desítky let po jejím vydání se snažil skotský fyzik William Thomson pro sebe jeden výtisk získat. O jeho úsilí a úspěchu, po kterém bylo lidstvo už jen na dosah ruky ke spoutání sil tepla a chladu umožňující vytvářet „umělé chlazení“, budu pokračovat v druhé části stejnojmenného článku.
Dále se můžete těšit na nejnovější poznatky v této oblasti a mnoho dalšího. Od všestranného využití chlazení, jeho léčivých účincích po nečekané zajímavosti, ale také to, jak se před ním účinně chránit. Na závěr mi nedá, než s ohlédnutím na předcházející informace zrekapitulovat zrovna tuto oblast vědy, jako krásný příklad spolupráce mnoha lidí, kteří mohli stát i proti sobě ve svých tvrzeních. Být se svými teoriemi absolutně na omylu. Přesto každý přispěl větším či menším střípkem svého ducha a geniality k tomu co dnes pokládáme za dané, i když nemáme většinou ani páru o procesech skrývajících se v pozadí úžasného světa, jenž je naším domovem.