|
100 великих научных открытий Дмитрий Самин
Основы мироздания
Закон сохранения энергии
Важнейшим достижением естествознания является установление закона сохранения энергии. Значение этого закона выходит далеко за рамки частного физического закона. Вместо с законом сохранения масс этот закон образует краеугольный камень научного материалистического мировоззрения, выражая факт неуничтожаемости материи и движения. Собственно, философские предпосылки для такого утверждения уже имелись налицо. Они были и у античных философов, особенно атомистов, и у Декарта, и особенно конкретно и отчетливо просматривались у Ломоносова.
В 1807 году член Парижской Академии наук французский физик и химик Жозеф Луи Гей-Люссак, изучая свойства газов, поставил опыт. До этого уже было известно, что сжатый газ, расширяясь, охлаждается. Ученый предположил, что это может происходить потому, что теплоемкость газа зависит от его объема. Он решил проверить это. Гей-Люссак заставил газ расширяться из сосуда в пустоту, т.е. другой сосуд, из которого был предварительно откачан воздух.
К удивлению всех ученых, наблюдавших за опытом, никакого понижения температуры не произошло, температура всего газа не изменилась. Полученный результат не оправдал предположения ученого, и он не понял смысла опыта. Гей-Люссак сделал крупное открытие и не смог его заметить.
Очень важную роль в развитии учения о превратимости сил природы сыграли исследования русского ученого Эмиля Христиановича Ленца, примыкающие в этом отношении к исследованиям Фарадея. Его замечательные работы по электричеству имеют явную энергетическую направленность и существенным образом содействовали укреплению закона. Поэтому с полным правом Ленц занимает одно из первых мест в плеяде творцов и укрепителей закона сохранения энергии.
Первым точно сформулировал этот великий закон естествознания немецкий врач Роберт Майер. Роберт Юлий Майер (1814—1878) родился в Гейльбронне в семье аптекаря. По окончании средней школы Майер поступил в Тюбингенский университет на медицинский факультет. Здесь он не слушал математических и физических курсов, но зато основательно изучил химию у Гмелина. Закончить университет в Тюбингене без перерыва ему не удалось. За участие в запрещенной сходке он был арестован. В тюрьме Майер объявил голодовку и на шестой день после ареста был освобожден под домашний арест. Из Тюбингена Майер уехал в Мюнхен, затем в Вену. Наконец, в январе 1838 года ему разрешили вернуться на родину. Здесь он сдал экзамены и защитил диссертацию.
Вскоре Майер принял решение поступить на голландский корабль, отправляющийся в Индонезию, в качестве судового врача. Это путешествие сыграло важную роль в его открытии. Работая в тропиках, он заметил, что цвет венозной крови у жителей жаркого климата более яркий и алый, чем темный цвет крови у жителей холодной Европы. Майер правильно объяснил яркость крови у жителей тропиков: вследствие высокой температуры организму приходится вырабатывать меньше теплоты. Ведь в жарком климате люди никогда не мерзнут. Поэтому в жарких странах артериальная кровь меньше окисляется и остается почти такой же алой, когда переходит в вены. У Майера возникло предположение: не изменится ли количество теплоты, выделяемое организмом, при окислении одного и того же количества пищи, если организм, помимо выделения теплоты, будет еще производить работу? Если количество теплоты не изменяется, то из одного и того же количества пищи можно получить то больше, то меньше тепла, так как работу можно превратить в тепло, например, путем трения.
Если количество теплоты изменяется, то работа и теплота обязаны своим происхождением одному и тому же источнику — окисленной в организме пище. Ведь работа и теплота могут превращаться одна в другую. Эта идея сразу дала возможность Майеру сделать ясным и загадочный опыт Гей-Люссака.
Если теплота и работа взаимно превращаются, то при расширении газов в пустоту, когда он не производит никакой работы, так как нет никакой силы давления, противодействующей увеличению его объема, газ и не должен охлаждаться. Если же при расширении газа ему приходится производить работу против внешнего давления, то его температура должна понижаться. Но если теплота и работа могут превращаться друг в друга, если эти физические величины сходные, то возникает вопрос о соотношении между ними.
Майер попытался узнать: сколько требуется работы для выделения определенного количества теплоты и наоборот? К тому времени было известно, что для нагревания газа при постоянном давлении, когда газ расширяется, нужно больше тепла, чем для нагревания газа в замкнутом сосуде. То есть что теплоемкость газа при постоянном давлении больше, чем при постоянном объеме. Эти величины были уже хорошо известны. Но установлено, что обе они зависят от природы газа: разность между ними почти одинакова для всех газов.
Майер понял, что эта разность в теплоте обусловлена тем, что газ, расширяясь, совершает работу. Работу одного моля расширяющегося газа при нагревании на один градус определить нетрудно. Любой газ при малой плотности можно считать идеальным — его уравнение состояния было известно. Если нагреть газ на один градус, то при постоянном давлении его объем возрастет на некую величину.
Таким образом, Майер нашел, что для любого газа разность теплоемкости газа при постоянном давлении и теплоемкости газа при постоянном объеме есть величина, называемая газовая постоянная. Она зависит от молярной массы и температуры. Теперь это уравнение носит его имя. Одновременно с Майером и независимо от него закон сохранения и превращения энергии разрабатывался Джоулем и Гельмгольцем.
Механический подход Гельмгольца, который он сам был вынужден признать узким, дал возможность установить абсолютную меру для «живой силы» и рассматривать всевозможные формы энергии либо в виде кинетической («живых сил»), либо потенциальной («сил напряжения»).
Количество превращенной формы движения можно измерить величиной той механической работы, например, по поднятию груза, которую можно было бы получить, если целиком все исчезнувшее движение затратить на это поднятие. Экспериментальное обоснование принципа и заключается, прежде всего, в доказательстве количественной определенности этой работы. Этой задаче и были посвящены классические опыты Джоуля.
Джемс Прескот Джоуль (1818—1889) — манчестерский пивовар — начал с изобретения электромагнитных аппаратов. Эти приборы и явления, с ними связанные, стали конкретным ярким проявлением превратимости физических сил. В первую очередь Джоуль исследовал законы выделения тепла электрическим током. Так как опыты с гальваническими источниками (1841) не давали возможности установить, является ли теплота, развиваемая током в проводнике, только перенесенной теплотой химических реакций в батарее, то Джоуль решил поставить эксперимент с индукционным током.
Он поместил в замкнутый сосуд с водой катушку с железным сердечником, концы обмотки катушки присоединялись к чувствительному гальванометру. Катушка приводилась во вращение между полюсами сильного электромагнита, по обмотке которого пропускался ток от батареи. Число оборотов катушки достигало 600 в минуту, при этом попеременно четверть часа обмотка электромагнита была замкнута, четверть разомкнута. Тепло, которое выделялось вследствие трения, во втором случае вычиталось из тепла, выделяемого в первом случае. Джоуль установил, что количество тепла, выделяемое индукционными токами, пропорционально квадрату силы тока. Так как в данном случае токи возникали вследствие механического движения, то Джоуль пришел к выводу, что тепло можно создавать с помощью механических сил.
Далее Джоуль, заменив вращение рукой вращением, производимым падающим грузом, установил, что «количество теплоты, которое в состоянии нагреть 1 фунт воды на 1 градус, равно и может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в 1 фут». Эти результаты и были им сведены в работе «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла», доложенной на физико-математической секции Британской ассоциации 21 августа 1843 года.
Наконец, в работах 1847—1850 годов Джоуль разрабатывает свой главный метод, вошедший в учебники физики. Он дает наиболее совершенное определение механического эквивалента тепла. Металлический калориметр устанавливался на деревянной скамейке. Внутри калориметра проходит ось, несущая лопасти или крылья. Крылья эти расположены в вертикальных плоскостях, образующих угол 45 градусов друг с другом (восемь рядов). К боковым стенкам в радиальном направлении прикреплены четыре ряда пластинок, не препятствующие вращению лопастей, но препятствующие движению всей массы воды. В целях тепловой изоляции металлическая ось разделена на две части деревянным цилиндром. На внешнем конце оси имеется деревянный цилиндр, на который наматываются две веревки в одинаковом направлении, покидающие поверхность цилиндра в противоположных точках. Концы веревок прикреплены к неподвижным блокам, оси которых лежат на легких колесиках. На оси намотаны веревки, несущие грузы. Высота падения грузов отсчитывается по рейкам.
Далее Джоуль определял эквивалент, измеряя теплоту, выделяемую при трении чугуна о чугун. На оси в калориметре вращалась чугунная пластинка. Вдоль оси свободно скользят кольца, несущие рамку, трубку и диск, по форме пригнанный к чугунной пластинке. С помощью стержня и рычага можно произвести давление и прижать диск к пластинке. Последние измерения механического эквивалента Джоуль производил уже в 1878 году.
Расчеты Майера и опыты Джоуля завершили двухсотлетний спор о природе теплоты. Доказанный на опыте принцип эквивалентности между теплотой и работой можно сформулировать следующим образом: во всех случаях, когда из теплоты появляется работа, тратится количество тепла, равное полученной работе, и наоборот, при затрате работы получается то же количество тепла. Этот вывод был назван Первым законом термодинамики.
Согласно этому закону, работу можно превратить в тепло и наоборот — теплоту в работу. Причем обе эти величины равны друг другу. Вывод этот справедлив для термодинамического цикла, в котором система должна быть приведена к исходным условиям. Таким образом, для любого кругового процесса совершенная системой работа равна полученной системой теплоте. Открытие Первого закона термодинамики доказало невозможность изобретения вечного двигателя. Закон сохранения энергии поначалу так и называли — «вечный двигатель невозможен».
|
