Julius von Mayer

لقد وضعت الطبيعة لنفسها مشكلة كيفية اصطياد الضوء المنهمر نحو الأرض وتخزين أكثر القوى بُعداً عن متناول اليد في شكل صلب. تمتص النباتات شكلاً واحداً من القوة وهو الضوء؛ وتنتج شكلاً آخر من القوة وهو الفرق الكيميائي.

Julius Robert von Mayer كان طبيباً وكيميائياً وفيزيائياً ألمانياً وأحد مؤسسي الديناميكا الحرارية. وهو الأشهر لإعلانه في عام 1841 أحد البيانات الأصلية لحفظ الطاقة أو ما يُعرف الآن بأنه أحد أول صيغ القانون الأول للديناميكا الحرارية، وهو أن "الطاقة لا يمكن أن تُخلق ولا أن تُفنى". وفي عام 1842، وصف Mayer العملية الكيميائية الحيوية المعروفة الآن بالأكسدة باعتبارها المصدر الأساسي للطاقة في أي كائن حي. تم تجاهل إنجازاته وتُنسب الأولوية لاكتشاف المكافئ الميكانيكي للحرارة إلى James Joule في السنة التالية. كما اقترح أن النباتات تحول الضوء إلى طاقة كيميائية.

الحياة المبكرة

وُلد Mayer في 25 نوفمبر 1814 في Heilbronn، Württemberg Baden-Württemberg، ألمانيا الحديثة، وهو ابن صيدلي. نشأ في Heilbronn. بعد إكمال درجة Abitur، درس الطب في جامعة Tübingen، حيث كان عضواً في Corps Guestphalia، وهي إحدى الجمعيات الطلابية الألمانية. وفي عام 1838 حصل على درجة الدكتوراه وكذلك نجح في Staatsexamen. بعد إقامة في Paris 1839/40 غادر كطبيب سفينة على متن سفينة شراعية هولندية ثلاثية الصواري في رحلة إلى Jakarta.

وعلى الرغم من أنه لم يكن مهتماً كثيراً بالظواهر الفيزيائية قبل هذه الرحلة، فإن ملاحظته بأن الموجات المعذبة بالعواصف أكثر دفئاً من البحر الهادئ بدأت به يفكر في القوانين الفيزيائية، وخاصة في الظاهرة الفيزيائية للحرارة والسؤال عما إذا كانت الحرارة المتطورة مباشرة وحدها حرارة الاحتراق، أو مجموع كميات الحرارة المتطورة بطرق مباشرة وغير مباشرة هي التي تؤخذ في الاعتبار في عملية الاحتراق. بعد عودته في فبراير 1841 كرس Mayer جهوده لحل هذه المشكلة.

في عام 1841 استقر في Heilbronn وتزوج.

تطور الأفكار

منذ صغره، أظهر Mayer اهتماماً مكثفاً بآليات ميكانيكية مختلفة. كان شاباً أجرى عدة تجارب من النوع الفيزيائي والكيميائي. في الواقع، كان أحد هواياته المفضلة هو إنشاء أنواع مختلفة من الأجهزة الكهربائية ومضخات الهواء. كان واضحاً أنه كان ذكياً. لذلك التحق Mayer بـ Eberhard-Karls University في مايو 1832. درس الطب خلال فترة وجوده هناك.

في عام 1837، اعتقل هو وبعض أصدقائه لارتدائهم ألوان منظمة محظورة. كانت العواقب لهذا الاعتقال تشمل إبعاد لمدة سنة واحدة من الكلية وفترة قصيرة من الحبس. أرسله هذا الانحراف في رحلة إلى Switzerland وFrance والهند الشرقية الهولندية. استمد Mayer اهتماماً إضافياً بالرياضيات والهندسة من صديقه Carl Baur من خلال التدريس الخاص. في عام 1841، عاد Mayer إلى Heilbronn لممارسة الطب، لكن الفيزياء أصبحت شغفه الجديد.

في يونيو 1841 أكمل أول بحث علمي له بعنوان "حول التحديد الكمي والنوعي للقوى". تم تجاهله إلى حد كبير من قبل المتخصصين الآخرين في هذا المجال. ثم أصبح Mayer مهتماً بمنطقة الحرارة وحركتها. قدم قيمة بصيغة رقمية للمكافئ الميكانيكي للحرارة. وكان أيضاً أول شخص يصف العملية الكيميائية الحيوية المعروفة الآن بالأكسدة باعتبارها المصدر الأساسي للطاقة في أي كائن حي.

في عام 1848 حسب أنه في غياب مصدر للطاقة كان الشمس ستبرد في 5000 سنة فقط، واقترح أن تأثير النيازك احتفظ بها دافئة.

نظراً لأنه لم يؤخذ على محمل الجد في ذلك الوقت، تم تجاهل إنجازاته وتم نسب الفضل إلى James Joule. حاول Mayer تقريباً الانتحار بعد اكتشافه هذه الحقيقة. أمضى بعض الوقت في المؤسسات العقلية للتعافي من هذا وفقدان بعض أطفاله. تم نشر عدة من أوراقه بسبب الطبيعة المتقدمة للفيزياء والكيمياء. تم منحه درجة دكتوراه فخرية في عام 1859 من قبل كلية الفلسفة في جامعة Tübingen. تم إحياء عمله المتجاهل في عام 1862 من قبل الفيزيائي الزميل John Tyndall في محاضرة في London Royal Institution. في يوليو 1867 نشر Mayer "Die Mechanik der Wärme." تناول هذا المنشور ميكانيكا الحرارة وحركتها. في 5 نوفمبر 1867 تم منح Mayer النبلاء الشخصيين من قبل مملكة Württemberg von Mayer وهو ما يعادل الفروسية البريطانية. توفي Julius Robert von Mayer في Germany.

كان Mayer أول شخص يصيغ قانون حفظ الطاقة، أحد أهم مبادئ الفيزياء الحديثة. ينص قانون حفظ الطاقة على أن إجمالي الطاقة الميكانيكية للنظام يبقى ثابتاً في أي نظام معزول من الأجسام التي تتفاعل مع بعضها البعض فقط من خلال قوى محافظة. كان أول محاولة من Mayer لصياغة حفظ الطاقة هي ورقة أرسلها إلى Annalen der Physik الخاص بـ Johann Christian Poggendorff، حيث افترض حفظ القوة Erhaltungssatz der Kraft. ومع ذلك، بسبب نقص Mayer في التدريب المتقدم في الفيزياء، احتوت على بعض الأخطاء الأساسية ولم يتم نشرها. واصل Mayer متابعة الفكرة بثبات وجادل مع أستاذ الفيزياء في Tübingen Johann Gottlieb Nörremberg، الذي رفض فرضيته. لكن Nörremberg أعطى Mayer عدداً من الاقتراحات القيمة حول كيفية فحص الفكرة تجريبياً؛ على سبيل المثال، إذا تحولت الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية، يجب أن يتم تدفئة الماء بالاهتزاز.

لم يقم Mayer فقط بإجراء هذا العرض التوضيحي، بل حدد أيضاً العامل الكمي للتحويل، محسوباً المكافئ الميكانيكي للحرارة. تم نشر نتيجة تحقيقاته في عام 1842 في عدد مايو من Annalen der Chemie und Pharmacie الخاص بـ Justus von Liebig. تم ترجمتها باسم "ملاحظات على قوى الطبيعة غير العضوية" في كتيبه Die organische Bewegung im Zusammenhang mit dem Stoffwechsel The Organic Movement in Connection with the Metabolism، 1845 حدد القيمة العددية للمكافئ الميكانيكي للحرارة: في البداية باعتبارها 365 kgf·m/kcal، وبعد ذلك باعتبارها 425 kgf·m/kcal؛ القيم الحديثة هي 4.184 kJ/kcal 426.6 kgf·m/kcal للسعر الحراري ثرموكيميائي و 4.1868 kJ/kcal 426.9 kgf·m/kcal لجدول البخار الدولي.

تعني هذه العلاقة أنه على الرغم من أن العمل والحرارة أشكال مختلفة من الطاقة، فيمكن تحويل أحدهما إلى الآخر. يُطلق على هذا القانون الآن القانون الأول للديناميكا الحرارية، وأدى إلى صياغة المبدأ العام لحفظ الطاقة، الذي ذكره Hermann von Helmholtz بشكل نهائي في عام 1847.

علاقة Mayer

استنتج Mayer علاقة بين الحرارة النوعية عند ضغط ثابت والحرارة النوعية عند حجم ثابت لغاز مثالي. العلاقة هي:

C P , m − C V , m = R ,

حيث CP,m هي الحرارة النوعية عند ضغط ثابت، CV,m هي الحرارة النوعية عند حجم ثابت و R هو ثابت الغاز.

بالنسبة للمواد المتجانسة الأكثر عمومية، وليس فقط الغازات المثالية، يأخذ الفرق الشكل،

انظر العلاقات بين السعات الحرارية، حيث C P هي القابلية للضغط الإسوتيرمية.

من هذه العلاقة، يمكن استخلاص عدة استنتاجات:

• نظراً لأن القابلية للضغط الإسوتيرمية β T هي كمية موجبة أو صفر، فإن الحرارة النوعية عند ضغط ثابت تكون دائماً أكبر من أو تساوي الحرارة النوعية عند حجم ثابت.
• مع اقتراب درجة الحرارة المطلقة للنظام من الصفر، يقترب الفرق بين CP,m و CV,m أيضاً من الصفر.
• بالنسبة للمواد غير القابلة للضغط، CP,m و CV,m متطابقة. أيضاً بالنسبة للمواد التي تكون غير قابلة للضغط تقريباً، مثل المواد الصلبة والسوائل، الفرق بين الحرارتين النوعيتين ضئيل جداً.

الحياة اللاحقة

كان Mayer يدرك أهمية اكتشافه، لكن عدم قدرته على التعبير عن نفسه علمياً أدى إلى تكهنات مُحبطة ومقاومة من المؤسسة العلمية. رفض الفيزيائيون المعاصرون مبدأ حفظ الطاقة، وحتى الفيزيائيون المشهورون Hermann von Helmholtz و James Prescott Joule نظرا إلى أفكاره بعداء. شك الأول في مؤهلات Mayer في المسائل الفيزيائية، وتطورت نزاع مرير حول الأولوية مع الأخير.

في عام 1848 توفي اثنان من أطفاله بسرعة بالتتابع، وتدهورت الصحة العقلية لـ Mayer. حاول الانتحار في 18 مايو 1850 والتزم بمؤسسة عقلية. بعد إطلاق سراحه، كان رجلاً منكسراً وأعاد دخول الحياة العامة بحذر في عام 1860. ومع ذلك، في غضون ذلك، كانت سمعته العلمية قد نمت وتلقى تقديراً متأخراً لإنجازه، على الرغم من أنه ربما في مرحلة لم يكن قادراً على الاستمتاع بها.

استمر في العمل بنشاط كطبيب حتى وفاته.

الأوسمة

• 1840 تلقى Julius von Mayer وسام الصليب الفارسي من نظام تاج Württemberg.
• 1869 تلقى Mayer جائزة Poncelet.
• يحمل Robert-Mayer-Gymnasium و Robert-Mayer-Volks- und Schulsternwarte في Heilbronn اسمه.

في الكيمياء، اخترع كاشف Mayer الذي يُستخدم في الكشف عن القلويدات.

الأعمال

• Ueber das Santonin : eine Inaugural-Dissertation, welche zur Erlangung der Doctorwürde in der Medicin & Chirurgie unter dem Praesidium von Wilhelm Rapp im July 1838 der öffentlichen Prüfung vorlegt Julius Robert Mayer . M. Müller, Heilbronn 1838 Digital edition by the University and State Library Düsseldorf