Henry Cavendish

Viața timpurieEdit

Henry Cavendish s-a născut la 10 octombrie 1731 la Nisa, unde familia sa locuia la acea vreme. Mama sa a fost Lady Anne de Grey, a patra fiică a lui Henry Grey, primul Duce de Kent, iar tatăl său a fost Lord Charles Cavendish, al treilea fiu al lui William Cavendish, al doilea Duce de Devonshire. Familia și-a trasat neamul de-a lungul a opt secole până în epoca normandă și a fost strâns legată de multe familii aristocratice din Marea Britanie. Mama lui Henry a murit în 1733, la trei luni după nașterea celui de-al doilea fiu al ei, Frederick, și cu puțin timp înainte ca Henry să împlinească doi ani, lăsându-l pe lordul Charles Cavendish să-și crească cei doi fii. Henry Cavendish a fost poreclit „Onorabilul Henry Cavendish”.

De la vârsta de 11 ani, Henry a frecventat Newcome’s School, o școală privată de lângă Londra. La vârsta de 18 ani (la 24 noiembrie 1748) a intrat la Universitatea din Cambridge la St Peter’s College, cunoscut acum sub numele de Peterhouse, dar a părăsit-o trei ani mai târziu, la 23 februarie 1751, fără a lua o diplomă (la acea vreme, o practică obișnuită). A locuit apoi cu tatăl său la Londra, unde a avut în curând propriul său laborator.

Lordul Charles Cavendish și-a petrecut viața mai întâi în politică și apoi din ce în ce mai mult în știință, în special în cadrul Societății Regale din Londra. În 1758, l-a dus pe Henry la reuniunile Societății Regale și, de asemenea, la dineurile din cadrul Royal Society Club. În 1760, Henry Cavendish a fost ales în aceste două grupuri și, după aceea, a fost asiduu în participarea sa. Nu a luat practic niciun rol în politică, dar și-a urmat tatăl în știință, prin cercetările sale și prin participarea la organizațiile științifice. A fost activ în Consiliul Societății Regale din Londra (în care a fost ales în 1765).

Interesul și expertiza sa în utilizarea instrumentelor științifice l-au determinat să conducă un comitet pentru a revizui instrumentele meteorologice ale Societății Regale și să ajute la evaluarea instrumentelor Observatorului Regal de la Greenwich. Prima sa lucrare, Factitious Airs, a apărut în 1766. Printre alte comitete din care a făcut parte se numără comitetul pentru lucrări, care alegea lucrările care urmau să fie publicate în Philosophical Transactions of the Royal Society, și comitetele pentru tranzitul lui Venus (1769), pentru atracția gravitațională a munților (1774) și pentru instrucțiunile științifice pentru expediția lui Constantine Phipps (1773) în căutarea Polului Nord și a Pasajului de Nord-Vest. În 1773, Henry s-a alăturat tatălui său în calitate de administrator ales al British Museum, căruia i-a dedicat mult timp și efort. La scurt timp după înființarea Instituției Regale a Marii Britanii, Cavendish a devenit director (1800) și a manifestat un interes activ, mai ales în laborator, unde a observat și a ajutat la experimentele chimice ale lui Humphry Davy.

Cercetări în domeniul chimieiEdit

Aparatul lui Cavendish pentru fabricarea și colectarea hidrogenului

Cu privire la momentul morții tatălui său, Cavendish a început să lucreze îndeaproape cu Charles Blagden, o asociere care l-a ajutat pe Blagden să intre pe deplin în societatea științifică londoneză. În schimb, Blagden a ajutat să țină lumea la distanță de Cavendish. Cavendish nu a publicat nicio carte și puține lucrări, dar a realizat multe. Mai multe domenii de cercetare, printre care mecanica, optica și magnetismul, se regăsesc pe larg în manuscrisele sale, dar abia dacă apar în lucrările sale publicate. Cavendish este considerat unul dintre așa-numiții chimiști pneumatici ai secolelor al XVIII-lea și al XIX-lea, alături, de exemplu, de Joseph Priestley, Joseph Black și Daniel Rutherford. Cavendish a descoperit că un gaz definit, specific și foarte inflamabil, pe care l-a denumit „aer inflamabil”, era produs prin acțiunea anumitor acizi asupra anumitor metale. Acest gaz era hidrogenul, despre care Cavendish a ghicit corect că era proporționat în proporție de doi la unu în apă.

Deși alții, cum ar fi Robert Boyle, preparaseră hidrogenul gazos mai devreme, lui Cavendish i se atribuie de obicei meritul de a recunoaște natura sa elementară. În 1777, Cavendish a descoperit că aerul expirat de mamifere este transformat în „aer fix” (dioxid de carbon), nu în „aer flogisticat”, așa cum a prezis Joseph Priestley. De asemenea, prin dizolvarea alcalinelor în acizi, Cavendish a produs dioxid de carbon, pe care l-a colectat, împreună cu alte gaze, în sticle răsturnate deasupra apei sau mercurului. El a măsurat apoi solubilitatea lor în apă și densitatea lor specifică și a notat combustibilitatea lor. În lucrarea sa din 1778, „Considerații generale asupra acizilor”, a concluzionat că aerul respirabil constituie aciditatea. Cavendish a primit Medalia Copley a Societății Regale pentru această lucrare. Chimia gazelor a avut o importanță din ce în ce mai mare în a doua jumătate a secolului al XVIII-lea și a devenit crucială pentru reforma chimiei realizată de francezul Antoine-Laurent Lavoisier, cunoscută în general sub numele de revoluția chimică.

În 1783, Cavendish a publicat o lucrare despre eudiometrie (măsurarea bonității gazelor pentru respirație). El a descris un nou eudiometru inventat de el, cu care a obținut cele mai bune rezultate de până atunci, folosind ceea ce în alte mâini fusese metoda inexactă de măsurare a gazelor prin cântărirea lor. Apoi, după ce a repetat un experiment din 1781 realizat de Priestley, Cavendish a publicat o lucrare despre producerea de apă pură prin arderea hidrogenului în „aerul deflogisticat” (aerul în proces de ardere, cunoscut acum ca fiind oxigenul).Cavendish a ajuns la concluzia că, în loc să fie sintetizat, arderea hidrogenului a făcut ca apa să fie condensată din aer. Unii fizicieni au interpretat hidrogenul ca fiind flogiston pur. Cavendish i-a raportat descoperirile sale lui Priestley nu mai târziu de martie 1783, dar nu le-a publicat decât în anul următor. Inventatorul scoțian James Watt a publicat o lucrare despre compoziția apei în 1783; a urmat o controversă cu privire la cine a făcut primul descoperirea.

În 1785, Cavendish a investigat compoziția aerului comun (adică atmosferic), obținând rezultate impresionant de precise. El a efectuat experimente în care hidrogenul și aerul obișnuit au fost combinate în proporții cunoscute și apoi au explodat cu o scânteie de electricitate. În plus, a descris și un experiment în care a reușit să elimine, în terminologia modernă, atât oxigenul, cât și azotul dintr-un eșantion de aer atmosferic până când în eșantionul original a rămas doar o mică bulă de gaz care nu a reacționat. Folosindu-se de observațiile sale, Cavendish a observat că, după ce a determinat cantitățile de aer flogisticat (azot) și de aer deflogisticat (oxigen), a rămas un volum de gaz reprezentând 1/120 din volumul original de azot. prin măsurători atente, a fost determinat să concluzioneze că „aerul comun este format dintr-o parte de aer deflogisticat , amestecat cu patru de aer flogisticat „.

În anii 1890 (aproximativ 100 de ani mai târziu) doi fizicieni britanici, William Ramsay și Lord Rayleigh, și-au dat seama că gazul inert nou descoperit de ei, argonul, era responsabil pentru reziduul problematic al lui Cavendish; el nu făcuse o eroare. Ceea ce făcuse el fusese să efectueze experimente cantitative riguroase, folosind instrumente și metode standardizate, cu scopul de a obține rezultate reproductibile; luase media rezultatelor mai multor experimente; și identificase și ținuse cont de sursele de eroare. Balanța pe care a folosit-o, fabricată de un meșter pe nume Harrison, a fost prima dintre balanțele de precizie din secolul al XVIII-lea și a fost la fel de precisă ca și cea a lui Lavoisier (care a fost estimată ca măsurând o parte la 400.000). Cavendish a lucrat cu constructorii săi de instrumente, în general îmbunătățind instrumentele existente mai degrabă decât inventând unele complet noi.

Cavendish, așa cum s-a indicat mai sus, a folosit în chimie limbajul vechii teorii a flogistonului. În 1787, el a devenit unul dintre primii din afara Franței care s-a convertit la noua teorie antiflogistică a lui Lavoisier, deși a rămas sceptic cu privire la nomenclatura noii teorii. De asemenea, s-a opus identificării de către Lavoisier a căldurii ca având o bază materială sau elementară. Lucrând în cadrul mecanismului newtonian, Cavendish abordase problema naturii căldurii în anii 1760, explicând căldura ca rezultat al mișcării materiei.

În 1783, a publicat o lucrare despre temperatura la care îngheață mercurul și în acea lucrare s-a folosit de ideea de căldură latentă, deși nu a folosit termenul deoarece credea că acesta implica acceptarea unei teorii materiale a căldurii. Și-a făcut obiecțiile explicite în lucrarea sa din 1784 despre aer. A continuat să elaboreze o teorie generală a căldurii, iar manuscrisul acestei teorii a fost datat în mod convingător la sfârșitul anilor 1780. Teoria sa era în același timp matematică și mecanică: conținea principiul conservării căldurii (înțeles mai târziu ca o instanță a conservării energiei) și chiar includea conceptul (deși nu și eticheta) de echivalent mecanic al căldurii.

Densitatea PământuluiEdit

După moartea tatălui său, Henry a cumpărat o altă casă în oraș și, de asemenea, o casă în Clapham Common (construită de Thomas Cubitt), la acea vreme la sud de Londra. Casa din Londra conținea cea mai mare parte a bibliotecii sale, în timp ce își ținea cele mai multe instrumente la Clapham Common, unde a efectuat cele mai multe dintre experimentele sale. Cel mai faimos dintre aceste experimente, publicat în 1798, a fost acela de a determina densitatea Pământului și a devenit cunoscut sub numele de experimentul Cavendish. Aparatul folosit de Cavendish pentru cântărirea Pământului a fost o modificare a balanței de torsiune construită de englezul și geologul John Michell, care a murit înainte de a putea începe experimentul. Aparatura a fost trimisă în lăzi lui Cavendish, care a finalizat experimentul în 1797-1798 și a publicat rezultatele.

Aparatura experimentală a constat dintr-o balanță de torsiune cu o pereche de sfere de plumb de 2 inci și 1,61 lire sterline suspendate de brațul balanței de torsiune și două bile de plumb staționare mult mai mari (350 de lire sterline). Cavendish intenționa să măsoare forța de atracție gravitațională dintre cele două. El a observat că aparatul lui Michell ar fi sensibil la diferențele de temperatură și la curenții de aer induși, așa că a făcut modificări, izolând aparatul într-o cameră separată, cu controale externe și telescoape pentru a face observații.

Utilizând acest echipament, Cavendish a calculat atracția dintre sfere pornind de la perioada de oscilație a balanței de torsiune, iar apoi a folosit această valoare pentru a calcula densitatea Pământului. Cavendish a constatat că densitatea medie a Pământului este de 5,48 ori mai mare decât cea a apei. John Henry Poynting a observat mai târziu că datele ar fi trebuit să conducă la o valoare de 5,448 și, într-adevăr, aceasta este valoarea medie a celor douăzeci și nouă de determinări pe care Cavendish le-a inclus în lucrarea sa. Ceea ce a fost extraordinar la experimentul lui Cavendish a fost eliminarea oricărei surse de eroare și a oricărui factor care ar fi putut perturba experimentul, precum și precizia cu care a măsurat o atracție uimitor de mică, de doar 1/50.000.000 din greutatea bilelor de plumb. Rezultatul pe care Cavendish l-a obținut pentru densitatea Pământului este la mai puțin de 1 la sută din cifra acceptată în prezent.

Lucrarea lui Cavendish i-a condus pe alții la valori exacte pentru constanta gravitațională (G) și masa Pământului. Pe baza rezultatelor sale, se poate calcula o valoare pentru G de 6,754 × 10-11N-m2/kg2, care se compară favorabil cu valoarea modernă de 6,67428 × 10-11N-m2/kg2.

Cărțile descriu adesea munca lui Cavendish ca fiind o măsurătoare fie a lui G, fie a masei Pământului. Deoarece acestea sunt legate de densitatea Pământului printr-o rețea trivială de relații algebrice, niciuna dintre aceste surse nu este greșită, dar ele nu corespund exact alegerii cuvintelor lui Cavendish, iar această greșeală a fost semnalată de mai mulți autori. Scopul declarat al lui Cavendish a fost să măsoare densitatea Pământului, deși rezultatul său calculează în mod evident G pentru a face acest lucru.

Primul moment în care constanta a primit acest nume a fost în 1873, la aproape 100 de ani după experimentul lui Cavendish, dar constanta era folosită încă de pe vremea lui Newton. Rezultatele lui Cavendish dau, de asemenea, masa Pământului.

Cercetări electriceEdit

Experimentele electrice și chimice ale lui Cavendish, ca și cele asupra căldurii, au început în timp ce locuia cu tatăl său într-un laborator din casa lor din Londra. Lordul Charles Cavendish a murit în 1783, lăsându-i aproape toată averea sa foarte substanțială lui Henry. Ca și teoria sa despre căldură, teoria cuprinzătoare a lui Cavendish despre electricitate avea o formă matematică și se baza pe experimente cantitative precise. El a publicat o primă versiune a teoriei sale în 1771, bazată pe un fluid electric expansiv care exercita presiune. El a demonstrat că, dacă intensitatea forței electrice ar fi invers proporțională cu distanța, atunci fluidul electric mai mult decât cel necesar pentru neutralitatea electrică s-ar afla pe suprafața exterioară a unei sfere electrificate; apoi a confirmat experimental acest lucru. Cavendish a continuat să lucreze la electricitate după această lucrare inițială, dar nu a mai publicat nimic pe această temă.

Cavendish a scris lucrări pe teme electrice pentru Royal Society, dar cea mai mare parte a experimentelor sale electrice nu au devenit cunoscute până când au fost adunate și publicate de James Clerk Maxwell un secol mai târziu, în 1879, la mult timp după ce alți oameni de știință fuseseră creditați cu aceleași rezultate. Lucrările electrice ale lui Cavendish din Philosophical Transactions of the Royal Society of London au fost retipărite, împreună cu majoritatea manuscriselor sale electrice, în The Scientific Papers of the Honourable Henry Cavendish, F.R.S. (1921). Potrivit ediției din 1911 a Encyclopædia Britannica, printre descoperirile lui Cavendish se numără conceptul de potențial electric (pe care l-a numit „grad de electrificare”), o primă unitate de măsură a capacității (cea a unei sfere cu diametrul de un inch), formula pentru capacitatea unui condensator cu plăci, conceptul de constantă dielectrică a unui material, relația dintre potențialul electric și curent (numită în prezent Legea lui Ohm) (1781), legile pentru împărțirea curentului în circuite paralele (atribuite în prezent lui Charles Wheatstone) și legea pătratului invers al variației forței electrice cu distanța, numită în prezent Legea lui Coulomb.

MoarteEdit

Cavendish a murit la Clapham la 24 februarie 1810 (fiind unul dintre cei mai bogați oameni din Marea Britanie) și a fost înmormântat, împreună cu mulți dintre strămoșii săi, în biserica care este acum Catedrala Derby. Drumul pe care locuia în Derby a fost numit după el. Laboratorul Cavendish al Universității din Cambridge a fost dotat de una dintre rudele de mai târziu ale lui Cavendish, William Cavendish, al 7-lea Duce de Devonshire (cancelar al Universității din 1861 până în 1891).

.