Закон сохранения массы в химии. Открытие закона. Открытие закона сохранения и превращения энергии Открытие закона сохранения энергии

В связи с открытием фундаментального физического явления – электромагнитной индукции, на основе которого получили развитие многие ветви современной электротехники, уместно рассмотреть здесь историю другого, еще более значительного открытия – закона сохранения и превращения энергии .

Ученые и практики всех времен обращались к исследованиям различных энергетических процессов и предпринимали попытки обобщений, в которых содержались элементы формулировки закона сохранения и превращения энергии. Если обратиться к истории открытия закона, то термин «энергия» появился лишь на последнем этапе истории великого закона. Кроме того, необходимо учесть, что основные достижения физики, химии и биологии, позволившие сделать действительное обобщение, стали известны только с начала XIX в.

Еще мыслители древности (Демокрит, Эпикур) утверждали вечность и неуничтожимость материи и движения. Повседневная практическая деятельность требовала познаний законов движения, прежде всего единственно известного – механического. И поэтому не случайно, что закон сохранения энергии начинал выкристаллизовываться в рамках механики. В 1633 г. в «Трактате о свете» идея сохранения движения была сформулирована известным французским ученым Рене Декартом (1596–1650 гг.): «Когда одно тело сталкивается с другим, оно может сообщить ему лишь столько движения, сколько само одновременно теряет, а отнять от него лишь столько, на сколько увеличит собственное движение». Эта идея получила дальнейшее развитие у немецкого ученого Готфрида Вильгельма Лейбница (1646–1716 гг.) в его законе сохранения живых сил.

После классических работ Исаака Ньютона (1643–1727 гг.) и Готфрида Лейбница принцип сохранения движения получил четкую формулировку в трудах М.В. Ломоносова, который решился объединить два принципа сохранения: движения и материи. Именно М.В. Ломоносову принадлежит открытие закона сохранения вещества, которое затем совершенно независимо от него повторил французский ученый Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794 гг.). В 1744 г. М.В. Ломоносов написал ставшие знаменитыми слова «Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Так в середине XVIII столетия М.В. Ломоносовым был четко сформулирован закон сохранения массы и движения как всеобщий закон природы . Более того, первая часть его выражения («все перемены в натуре случающиеся …») сформулирована так широко, что если бы эти слова были написаны 100 лет спустя, когда стали известны другие «перемены в натуре» – многочисленные взаимные преобразования энергии (электрической, тепловой, химической, механической), то другие формулировки закона сохранения и превращения энергии и сохранения материи были бы излишни. Но, к сожалению, и эпоха была еще не та, и научные труды М.В. Ломоносова почти 150 лет оставались неизвестными.

Чтобы можно было осмыслить качественные превращения энергии из одной ее формы в другую, должны были сложиться необходимые и достаточные научно‑технические предпосылки. Важнейшими среди этих предпосылок явились развитие учения о теплоте и теплотехническая практика. Известно, какую роль в развитии человека на заре его истории сыграл огонь. В процессе трудовой деятельности человек научился добывать огонь трением. В получении огня трением уже проявлялось качественное преобразование механической энергии в тепловую.

Установлению взаимосвязей между механической и тепловой энергией длительное время объективно препятствовала теория теплорода. Считалось, что теплород выдавливается из вещества при его сжатии, например, при сжатии газа, как сок из апельсина. Гениальные мысли М.В. Ломоносова о молекулярном движении как источнике теплоты, о кинетической природе теплоты в более широком смысле оставались вне поля зрения широкой научной общественности. Наиболее ощутимый удар по теории теплорода уже в эпоху паровых машин (1798 г.) нанесли опыты американца Бенджамина Томпсона (1753–1814 гг.), более известного в Европе под титулом графа Румфорда. При сверлении орудийных стволов в г. Мюнхене Румфорд наблюдал выделение теплоты, что, впрочем, было всем известно. Однако Румфорд сумел показать, что при этом может выделиться практически неограниченное количество теплоты. В своих опытах он принимал меры к изоляции сверла и ствола с тем, чтобы исключить поступление теплорода, этой «субстанции теплоты», откуда‑либо извне.

Но еще примерно 30 лет после опытов Румфорда теория теплорода, подправляемая и уточняемая, продолжала занимать господствующее положение в объяснениях причины возникновения теплоты. Существенно важной для понимания факта превращения одного вида движения (например, механического) в другой (например, тепловое) была мысль об эквиваленте, в частности о механическом эквиваленте теплоты.

Драматизм истории открытия закона сохранения и превращения энергии состоял в том, что практически до момента полного признания этого закона почти каждое предшествующее открытие, подтверждающее его справедливость, либо не публиковалось, либо на него не обращали должного внимания, либо оно просто встречалось в штыки официальной наукой.

Соответствующие труды М.В. Ломоносова до 1904 г. находились в забвении, а будучи в свое время опубликованными в России, не проникли в лаборатории Запада. Румфорд, поколебав устои теории теплорода, не смог ее низвергнуть, не найдя доказательств эквивалентности превращения механического движения в теплоту. Двадцативосьмилетний талантливый французский инженер Сади Карно (1796–1832 гг.) опубликовал в 1824 г. замечательную работу «Размышление о движущей силы огня и о машинах, способных развивать эту силу», в которой изложил то, что впоследствии стали называть вторым началом термодинамики, или «принципом Карно». Но более поздние исследования, в которых С. Карно отказался от теории теплорода и определил впервые механический эквивалент теплоты, своевременно не были опубликованы, и рукописи его стали известны лишь в 1878 г.

В приложении к своей единственной книге С. Карно писал: «Тепло – это не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тел. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно, всегда при исчезновении теплоты возникает движущая сила». По измерениям С. Карно механический эквивалент теплоты составил 370 кг∙м (напомним, что это значение составляет 427 кг∙м, или 4186 Дж).

Теоретические исследования С. Карно отвечали на конкретный вопрос, поставленный развивающейся промышленностью, как сделать тепловой двигатель более экономичным. С. Карно исходил из убеждения о невозможности осуществления вечного двигателя. Но и на его работы современники не обратили того внимания, которого эти работы заслуживали.

Исследования химических, тепловых и механических действий электрического тока, открытие явления электромагнитной индукции в первые 40 лет XIX в. послужили второй важной предпосылкой к открытию закона сохранения и превращения энергии.

В 1836 г. М. Фарадей сформулировал два закона электролиза, которыми установил связи между количеством электричества и химическими свойствами вещества.

Великий английский физик совершенно определенно подчеркивал необходимость установления эквивалентов между различными видами энергии, или, по терминологии того времени, между различными силами. Он писал: «Мы имеем много процессов, при которых внешняя форма силы может претерпевать такие изменения, что происходит явное превращение ее в другую. Так, мы можем превратить химическую силу в электрический ток, а электрический ток в химическую силу. Прекрасные опыты Т. Зеебека и Ж. Пельте показывают взаимную связь теплоты и электричества, а Г. Эрстеда и мои собственные показывают превращаемость электричества и магнетизма. Но ни в одном случае, даже с электрическим угрем и скатом, нет производства силы без соответствующего израсходования чего‑либо, что питает ее». В своем дневнике в 1837 г. М. Фарадей записал: «Нужно сравнить количество материальных сил (т.е. сил электричества, тяготения, химического сродства, сцепления и т.д.), где возможно дать выражение для их эквивалентов в той или иной форме».

Важную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии сыграли труды Э.Х. Ленца и, в частности, открытие им закона о направлении индуцированного тока и принципа обратимости электрических машин . Важной предпосылкой к открытию закона сохранения и превращения энергии явились успехи биологии. Развеивался миф об особой «жизненной силе» в организмах человека и животных. Была установлена прямая связь между количеством потребляемой пищи и способностью производить работу.

40‑е годы XIX столетия – время широких обобщений. Решающую роль в установлении закона сохранения и превращения энергии история отводит немецким ученым Роберту Майеру (1814–1878 гг.) и Герману Гельмгольцу, а также английскому физику Джеймсу Джоулю (1818–1889 гг.) .

Р. Майер был судовым врачом на голландском корабле, когда в 1840 г. «внезапно» ему пришла в голову мысль о законе сохранения и превращения энергии. Слово «внезапно» взято в кавычки недаром: о внезапном озарении писал впоследствии Р. Майер, но может ли быть внезапным открытие, предпосылки которого были хорошо известны выпускнику Тюбингенского университета? Внезапным был для Р. Майера исходный толчок: он обратил внимание на то, что было хорошо известно врачам, работающим постоянно в тропических широтах. Во время стоянки корабля на Яве заболел матрос, и Р. Майер, как тогда было принято, «пустил ему кровь», вскрыв вену. Каково же было его удивление, когда он увидел, что венозная кровь была не столь темной, как в умеренных широтах. Р. Майер понял, что при высокой средней температуре воздуха для поддержания жизнедеятельности и необходимой температуры организма требуется меньше питательных веществ и меньшее «сгорание» последних. Сопоставление многочисленных научных фактов из области химии, физики и биологии привело его к тому, что мысли, согласно выражению Р. Майера, пронзившие его, подобно молнии, навели на вывод о существовании всеобщего закона природы .

В 1841 г. Р. Майер написал статью «О количественном и качественном определении сил», но редактор известного в Европе физического журнала не счел нужным ее напечатать. Рукопись статьи была обнаружена в архивах редакции и опубликована лишь в 1881 г., т.е. 40 лет спустя. Следующая статья «Замечания о силах неживой природы» была опубликована в 1842 г. В этой работе Р. Майер много внимания уделяет взаимопревращениям механической работы и теплоты, не зная о соответствующем исследовании С. Карно, определяет механический эквивалент теплоты (по его данным, он равен 365 кг∙м/ккал), говорит о «неразрушимости» сил и формулирует свой принцип. Здесь же Р. Майер впервые в истории науки вкладывает в понятие «сила» смысл «энергия», не произнося еще этого слова (впрочем, слово было произнесено раньше; этим словом английский физик Томас Юнг (1773–1829 гг.) обозначил величину, пропорциональную массе и квадрату скорости движущегося тела).

Идеи Р. Майера носили столь общий и универсальный характер, что они сначала не были восприняты современниками. Его жизнь превратилась в непрерывную борьбу за утверждение своего принципа.

Классические измерения механического эквивалента теплоты провел в 1841–1843 гг. (опубликовано в 1843 г.) Д. Джоуль. По его данным, этот эквивалент составлял 460 кг∙м/ккал. Д. Джоуль также установил независимо от Э. Ленца связь между электрическим током и выделяемой теплотой (закон Джоуля – Ленца). Интересно отметить, что работу Д. Джоуля Британское общество (так называется Британская академия наук) отказалось опубликовать в полном объеме, требуя от него все новых экспериментальных уточнений.

Наконец, Г. Гельмгольц в 1847 г. в работе «О сохранении силы» дал в наиболее общем виде закон сохранения, показав, что сумма потенциальной и кинетической энергии остается постоянной. Г. Гельмгольц вывел выражение электродвижущей силы индукции исходя из закона сохранения энергии. Там же впервые дана математическая трактовка закона. Завершением длительного пути, пройденного наукой до точной формулировки закона сохранения энергии, можно считать доклад У. Томсона «О динамической теории тепла» (1851 г.).

У. Томсон в 1860 г. ввел в науку термин «энергия» в современном его смысле. К такому же толкованию термина «энергия» пришел в 1853 г. известный шотландский физик Уильям Джон Макуорн Ренкин (Ранкин) (1820–1872 гг.) – один из создателей технической термодинамики.

Изложение истории открытия закона уместно закончить словами выдающегося английского физика и общественного деятеля Джона Димонда Бернала (1901–1971 гг.), написанными 100 лет спустя: «Закон сохранения энергии … был величайшим физическим открытием середины XIX в. Он объединил много наук и находился в исключительной гармонии с тенденциями времени. Энергия стала универсальной валютой физики – так сказать золотым стандартом изменений, происходивших во вселенной…. Вся человеческая деятельность в целом – промышленность, транспорт, освещение и, в конечном счете, питание и сама жизнь – рассматривалась с точки зрения зависимости от этого одного общего термина – энергия» .

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

Закон сохранения энергии был открыт не физиком, а врачом.

В 1840 году на острове Ява судовой врач немец Роберт Майер вскрыл больному вену и… к своему ужасу обнаружил, что потекла не темная кровь, а алая! Неужели он вместо вены попал в артерию?! Испуг врача объяснялся тем, что алая кровь течет по артериям от сердца - это кровь, наполненная кислородом. А обратно, к сердцу кровь течет по венам. В венозной крови остается мало кислорода, поэтому цвет у нее темно-красный. Кровотечение же из артерии смертельно опасно.

Однако местные врачи успокоили Майера: они объяснили, что здесь, в тропиках, венозная кровь у людей такая же алая, как и артериальная.

«Почему же так происходит? - задумывается Майер. - Может, дело в том, что температура воздуха здесь почти равна температуре человеческого тела… Организму не нужно расходовать силу (в то время энергию еще называли силой!) на поддержание температуры тела, поэтому кислород остается в крови - ведь силу дает именно сгорание кислорода. Но это значит, что сила сохраняется : она только превращается из одного вида в другой, но никогда не исчезает и не появляется из ничего».

Развивая свою идею, Майер изучил все известные ему превращения энергии - кинетической в потенциальную и обратно, механической энергии во внутреннюю и внутренней энергии в механическую, рассмотрел электрическую и химическую энергии.

Независимо от Майера, но несколькими годами позже закон сохранения энергии был открыт английским физиком Джеймсом Джоулем и немецким естествоиспытателем Германом Гельмгольцем.

Все эти ученые были очень молоды, когда они совершили свое великое открытие: Майеру было 28 лет, Джоулю - 25, а Гельмгольцу - 26.

Задолго до открытий Майера, Джоуля и Гельмгольца очень близко к открытию закона сохранения энергии подошел выдающийся российский ученый Михаил Васильевич Ломоносов.

Но, к сожалению, труды Ломоносова долгое время оставались неизвестными для европейских ученых.

Идея о взаимопревращении механической и внутренней энергии была высказана, также до открытий Майера, Джоуля и Гельмгольца, физиком и инженером Томпсоном, получившим известность как граф Румфорд.

Фундаментальный смысл закона сохранения энергии

Закон сохранения энергии - «фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени». Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую.

С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы. Другими словами, для каждой конкретной замкнутой системы, вне зависимости от её природы можно определить некую величину, называемую энергией, которая будет сохраняться во времени. При этом выполнение этого закона сохранения в каждой конкретно взятой системе обосновывается подчинением этой системы своим специфическим законам динамики, вообще говоря различающимся для разных систем.

Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда, закономерность, то более правильным является его именование не законом, а принципом сохранения энергии.

С математической точки зрения закон сохранения энергии эквивалентен утверждению, что система дифференциальных уравнений, описывающая динамику данной физической системы, обладает первым интегралом движения, связанным с симметричностью уравнений относительно сдвига во времени.

Согласно теореме Нётер каждому закону сохранению ставится в соответствие некая симметрия уравнений, описывающих систему. В частности, закон сохранения энергии эквивалентен однородности времени, то есть независимости всех законов, описывающих систему, от момента времени, в который система рассматривается.

Вывод этого утверждения может быть произведён, например, на основе лагранжева формализма. Если время однородно, то функция Лагранжа, описывающая систему, не зависит явно от времени, поэтому полная её производная по времени имеет вид:

Здесь - функция Лагранжа, - обобщённые координаты и их первые и вторые производные по времени соответственно. Воспользовавшись уравнениями Лагранжа, заменим производные на выражение :

Перепишем последнее выражение в виде

Сумма, стоящая в скобках, по определению называется энергией системы и в силу равенства нулю полной производной от неё по времени она является интегралом движения (то есть сохраняется).

История открытия закона сохранения и превращения энергии

В 1841 г. русский ученый Ленц и англичанин Джоуль почти одновременно и независимо друг от друга экспериментально доказали, что теплота может быть создана за счет механической работы. Джоуль определил механический эквивалент тепла. Эти и другие исследования подготовили открытие закона сохранения и превращения энергии. В 1842-1845 г.г. немецкий ученый Р. Майер сформулировал этот закон на основе обобщения данных естествознания о механическом движении, электричестве, магнетизме, химии и даже физиологии человека. Одновременно в Англии (Гров) и в Дании (Кольдинг) были высказаны аналогичные идеи. Несколько позднее этот закон разрабатывал Гельмгольц (Германия)

Воззрения на теплоту как форму движения мельчайших «нечувствительных» частиц материи высказывались еще в XVII в. Ф. Бэкон, Декарт, Ньютон, Гук и многие другие приходили к мысли, что теплота связана с движением частиц вещества . Но со всей полнотой и определенностью эту идею разрабатывал и отстаивал Ломоносов. Однако он был в одиночестве, его современники переходили на сторону концепции теплорода, и, как мы видели, эта концепция разделялась многими выдающимися учеными XIX столетия.

Успехи экспериментальной теплофизики, и прежде всего калориметрии, казалось, свидетельствовали в пользу теплорода. Но тот же XIX в. принес наглядные доказательства связи теплоты с механическим движением. Конечно, факт выделения тепла при трении был известен с незапамятных времен. Сторонники теплоты усматривали в этом явлении нечто аналогичное электризации тел трением - трение способствует выжиманию теплорода из тела. Однако в 1798 г. Бенжамен Томпсон (1753―1814), ставший с 1790 г. графом Румфордом, сделал в мюнхенских военных мастерских важное наблюдение: при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура поднялась на 70 градусов Фаренгейта. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой. В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Этот опыт Румфорд считал доказательством того, что теплота является формой движения.

По Майеру, все движения и изменения в мире порождаются «разностями», вызывающими силы, стремящиеся уничтожить эти разности. Но движение не прекращается, потому что силы неуничтожаемы и восстанавливают разности. «Таким образом, принцип, согласно которому раз данные силы количественно неизменны, подобно веществам, логически обеспечивает нам продолжение существования разностей, а значит, и материального мира». Эта формулировка, предложенная Майером, легко уязвима для критики. Не определено точно понятие «разность», неясно, что понимается под термином «сила». Это предчувствие закона, а не самый еще закон. Но из дальнейшего изложения понятно, что под силой он понимает причину движения, которое измеряется произведением массы на скорость. «Движение, теплота и электричество представляют собою явления, которые могут быть сведены к одной силе, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам». Это вполне определенная и ясная формулировка закона сохранения и превращения силы, т.е. энергии.

Задавшись целью применить идеи механики в физиологии, Майер начинает с выяснения понятия силы. И здесь он вновь повторяет мысль о невозможности возникновения движения из ничего, сила - причина движения, а причина движения является неразрушимым объектом. Эта формулировка поразительно напоминает формулировку «всеобщего закона» Ломоносова, распространяемого им «и на самые правила движения». Заметим, что выдвижение Ломоносовым и Майером всеобщего закона сохранения в качестве «верховного закона природы» принято современной наукой, которая формулирует многочисленные конкретные законы сохранения в качестве основной опоры научного исследования. Майер подробно подсчитывает механический эквивалент теплоты из разности теплоемкостей газа (этот подсчет нередко воспроизводится в школьных учебниках физики) и находит его, опираясь на измерения Делароша и Берара, а также Дюлонга, определивших отношение теплоемкостей для воздуха равным 367 кгс-м/ккал.

Майер закончил развитие своих идей к 1848 г., когда в брошюре «Динамика неба в популярном изложении» он поставил и сделал попытку решить важнейшую проблему об источнике солнечной энергии. Майер понял, что химическая энергия недостаточна для восполнения огромных расходов энергии Солнца. Но из других источников энергии в его время была известна только механическая энергия. И Майер сделал вывод, что теплота Солнца восполняется бомбардировкой его метеоритами, падающими на него со всех сторон непрерывно из окружающего пространства. Он признает, что открытие сделано им случайно (наблюдение на Яве), но «оно все же моя собственность, и я не колеблюсь защищать свое право приоритета». Майер указывает далее, что закон сохранения энергии, «а также численное выражение его, механический эквивалент теплоты, были почти одновременно опубликованы в Германии и Англии». Он указывает на исследования Джоуля и признает, что Джоуль «открыл безусловно самостоятельно» закон сохранения и превращения энергии и что «ему принадлежат многочисленные важные заслуги в деле дальнейшего обоснования и развития этого закона». Но Май ер не склонен уступать свое право на приоритет и указывает, что из самих его работ видно, что он не гонится за эффектом. Это, однако, не означает отказа от прав на свою собственность.

Задолго до Джоуля исследования были начаты петербургским академиком Э.Х. Ленцем, который опубликовал свою работу в 1843 г. под заглавием «О законах выделения тепла гальваническим током». Ленц упоминает о работе Джоуля, публикация которого опередила публикацию Ленца, но считает, что, хотя его результаты в «основном совпадают с результатами Джоуля», они свободны от тех обоснованных возражений, которые вызывают работы Джоуля.

Ленц тщательно продумал и разработал методику эксперимента, испытал и проверил тангенс-гальванометр, служивший у него измерителем тока, определил применяемую им единицу сопротивления (напомним, что закон Ома к этому времени еще не вошел во всеобщее употребление), а также единицы тока и электродвижущей силы, выразив последнюю через единицы тока и сопротивления.

Ленц тщательно изучил поведение сопротивлений, в частности исследовал вопросе существовании так называемого «переходного сопротивления» при переходе из твердого тела в жидкость. Это понятие вводилось некоторыми физиками в эпоху, когда закон Ома еще не был общепризнанным. Затем он перешел к основному эксперименту, результаты которого сформулировал в следующих двух положениях: нагревание проволоки гальваническим током пропорционально сопротивлению проволоки; нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока. Точность и обстоятельность опытов Ленца обеспечили признание закона, вошедшего в науку под названием закона Джоуля - Ленца.

Джоуль сделал свои эксперименты по выделению тепла электрическим током исходным пунктом дальнейших исследований выяснения связи между теплотой и работой. Уже на первых опытах он стал догадываться, что теплота, выделяемая в проволоке, соединяющей полюсы гальванической батареи, порождается химическими превращениями в батарее, т. е. стал прозревать энергетический смысл закона. Чтобы выяснить далее вопрос о происхождении «джоулева тепла» (как теперь называется теплота, выделяемая электрическим током), он стал исследовать теплоту, выделяемую индуцированным током. В работе «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом эффекте теплоты», доложенной на собрании Британской Ассоциации в августе 1843 г., Джоуль сформулировал вывод, что теплоту можно создавать с помощью механической работы, используя магнитоэлектричество (электромагнитную индукцию), и эта теплота пропорциональна квадрату силы индукционного тока.

Вращая электромагнит индукционной машины с помощью падающего груза, Джоуль определил соотношение между работой падающего груза и теплотой, выделяемой в цепи. Он нашел в качестве среднего результата из своих измерений, что «количество тепла, которое в состоянии нагреть один фунт воды на один градус Фаренгейта, может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в один фут». Переводя единицы фунт и фут в килограммы и метры и градус Фаренгейта в градус Цельсия, найдем, что механический эквивалент тепла, вычисленный Джоулем, равен 460 кгс-м/ккал. Этот вывод приводит Джоуля к другому, более общему выводу, который он обещает проверить в дальнейших экспериментах: «Могучие силы природы… неразрушимы, и… во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, получается точное эквивалентное количество теплоты». Он утверждает, что животная теплота возникает в результате химических превращений в организме и что сами химические превращения являются результатом действия химических сил, возникающих из «падения атомов» Таким образом, в работе 1843 г. Джоуль приходит к тем же выводам, к которым ранее пришел Майер.

Джоуль продолжал свои эксперименты и в 60-х и в 70-х годах. В 1870 г. он вошел в состав комиссии по определению механического эквивалента теплоты. В состав этой комиссии входили В. Томсон, Максвелл и другие ученые. Но Джоуль не ограничился работой экспериментатора. Он решительно встал на точку зрения кинетической теории теплоты и стал одним из основоположников кинетической теории газов. Об этой работе Джоуля будет сказано позднее. В отличие от своих предшественников Гельмгольц связывает закон с принципом невозможности вечного двигателя (peгрetuum mobile). Этот принцип принимал еще Леонардо да Винчи, ученые XVII в. (вспомним, что Стевин обосновал закон наклонной плоскости невозможностью вечного движения), и, наконец, в XVIII в. Парижская Академия наук отказалась рассматривать проекты вечного двигателя.

Гельмгольц считает принцип невозможности вечного двигателя тождественным принципу, что «все действия в природе можно свести на притягательные или отталкивательные силы». Материю Гельмгольц рассматривает как пассивную и неподвижную. Для того чтобы описать изменения, происходящие в мире, ее надо наделить силами как притягательными, так и отталкивательными. «Явления природы, - пишет Гельмгольц, - должны быть сведены к движениям материи с неизменными движущими силами, которые зависят только от пространственных взаимоотношений». Разными путями шли открыватели закона сохранения и превращения энергии к его установлению. Майер, начав с медицинского наблюдения, сразу рассматривал его как глубокий всеобъемлющий закон и раскрывал цепь энергетических превращений от космоса до живого организма. Джоуль упорно и настойчиво измерял количественное соотношение теплоты и механической работы. Гельмгольц связал закон с исследованиями великих механиков XVIII в. Идя разными путями, они наряду со многими другими современниками настойчиво боролись за утверждение и признание закона вопреки противодействию цеховых ученых. Борьба была нелегкой и порой принимала трагический характер, но она окончилась полной победой. Наука получила в свое распоряжение великий закон сохранения и превращения энергии.

Закон сохранения энергии - фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую.

Однако в различных разделах физики по историческим причинам закон сохранения энергии формулируется по-разному, в связи с чем говорится о сохранении различных видов энергии. Например, в термодинамике закон сохранения энергии выражается в виде первого начала термодинамики. Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда, закономерность, то более правильным является его именование не законом, а принципом сохранения энергии.

русский ученый Ленц и англичанин Джоуль почти одновременно и независимо друг от друга экспериментально доказали, что теплота может быть создана за счет механической работы. Джоуль определил механический эквивалент тепла. Эти и другие исследования подготовили открытие закона сохранения и превращения энергии. В 1842-1845 г.г. немецкий ученый Р. Майер сформулировал этот закон на основе обобщения данных естествознания о механическом движении, электричестве, магнетизме, химии и даже физиологии человека. Одновременно в Англии (Гров) и в Дании (Кольдинг) были высказаны аналогичные идеи. Несколько позднее этот закон разрабатывал Гельмгольц (Германия)Разными путями шли открыватели закона сохранения и превращения энергии к его установлению.

С этим файлом связано 42986 файл(ов). Среди них: и ещё 42976 файл(а).
Показать все связанные файлы
Почему диеты не работают???
Прежде всего, выясним, откуда берется энергия (т.е. калории, которые мы съедаем) и куда исчезает. Закон сохранения энергии — «энергия ни откуда не берется и никуда не исчезает, а только переходит из одной формы в другую». Из этого следует, что мы едим калории и тратим ТОЖЕ калории (неважно: яблоки, ананасы, либо мясо, бутерброд и пр)

Баланс калорий , т.е. количество потребляемой энергии должно балансировать с потраченной энергией. Все, что не потрачено непременно отложится в жир ! Если мы хотим добиться эффекта похудения, то нам нужен отрицательный баланс (но не слишком большой). Казалось бы, все просто — нужно просто ограничить приток калорий и все. Но не все так просто. Давайте разберемся, на что ежедневно затрачивается энергия:

1.Производственный оборот — это коэффициент потребляемой энергии организмом на дополнительные нужды, который зависит от физической активности человека.

Тот, кто выполняет тяжелую физическую нагрузку, имеет высокий производственный оборот. А тот, кто сидит целый день на работе, соответственно, низкий. Но это не является основным фактором сокращения жира в теле, а является лишь сопутствующим фактором.

2.Основной обмен веществ — это то количество энергии, которое требуется организму, чтобы поддерживать организм в режиме отдыха при средней температуре. Это дыхание, биение сердца, пищеварение, сохранение температуры тела, а также мышцы. Наиболее важным фактором является мускулатура . Мышечные ткани способствуют хорошему обмену веществ, препятствуя жироотложению. Наши мышцы тратят около 40 % от общей энергии в покое! Человек с хорошей мускулатурой тратит намного больше калорий, чем тот, у кого ее значительно меньше. У первого в организме работает 24-часовая «жиросжигательная машина», соответственно, у него больше шансов избежать отложений жиров, чем у второго. Поэтому тренировки на наращивание мышечной массы очень важны , так как мышцы играют большую роль в процессе обмена веществ.

Что же происходит с организмом во время диет? Дефицит калорий (слишком отрицательный баланс). На что организм реагирует отрицательно, стараясь сохранить свои «запасы». С этой целью он начинает избавляться от главного «грабителя» калорий — мышц. И в результате получается, что основной обмен веществ понижается, и организм в покое тратит намного меньше энергии, чем до диеты. А замедление метаболизма означает, что для продолжения сжигания жиров вам потребуется еще больше урезать количество потребляемых калорий. Получается замкнутый круг.…При диетах человек вынужден контролировать процесс жирообразования до конца жизни! К тому же крепкая мышечная масса заменяется вялой массой жира , а так как жир менее плотный, чем мышцы, тело кажется еще более объемным. Ну и кому нужна такая диета?

Вывод: Не в наших интересах создавать большой дефицит калорий и доводить организм до бедственного состояния. Для поддержания хорошего обмена веществ просто необходимо заниматься силовыми тренировками и потреблять достаточное количество белка (из расчета 2гр на килограмм вашего веса в сутки), чтобы не допустить потери мышечной массы , а также избежать различных заболеваний, связанных с атрофией.

Команда Iron Systemtm
перейти в каталог файлов

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Развеивался миф об особой «жизненной силе» в организмах человека и животных. Была установлена прямая связь между количеством потребляемой пищи и способностью производить работу.

Предыдущая78910111213141516171819202122Следующая

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

Закон сохранения механической энергии

Механическая энергия консервативной механической системы сохраняется во времени.

Проще говоря, при отсутствии диссипативных сил (например, сил трения) механическая энергия не возникает из ничего и не может никуда исчезнуть.

Для замкнутой системы физических тел, например, справедливо равенство
Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2 ,
где Ek1, Ep1 - кинетическая и потенциальная энергии системы какого-либо взаимодействия, Ek2, Ep2 - соответствующие энергии после.

Закон сохранения энергии - это интегральный закон . Это значит, что он складывается из действия дифференциальных законов и является свойством их совокупного действия.

Формулировка закона сохранения механической энергии.

Полная механическая энергия , т.е. сумма потенциальной и кинетической энергии тела, остается постоянной, если действуют только силы упругости и тяготения и отсутствуют силы трения.

Другие заметки по физике

На первых этапах физики открывали отдельные следствия закона сохранения энергии, не подозревая о существовании общего закона.
Первым следствием был закон рычага, который можно сформулировать так: произведение силы на расстояние, пройденное точкой приложения силы, есть величина постоянная. Это было известно еще Архимеду . Зная закон сохранения энергии в форме «количество полученной энергии равно затраченной работе», легко свести к нему закон рычага. Действительно, работа вычисляется как произведение силы на перемещение. Если это произведение постоянно, то, увеличивая путь, мы можем на столько же уменьшить силу и наоборот.
Далее целесообразно обратиться к следующему открытию Галилея . Во время своих опытов с падением тел по наклонной плоскости Галилей обнаружил, что скорость, которую имеет тело у основания наклонной плоскости, не зависит от угла ее наклона, следовательно, от длины пути, а зависит лишь от высоты, с которой падает тело.
Это поразительное открытие заинтересовало Галилея, и. он поставил задачу исследовать, существует ли независимость скорости от длины пути для криволинейных форм пути. С этой целью он изобрел маятник, получивший его имя (см. методическое замечание).
Следующий шаг к открытию закона сохранения механической энергии сделал Гюйгенс . Он впервые поставил задачу исследовать законы механического движения системы тел. Изучение колебаний сложных маятников привело его к следующему заключению: «Если какие-нибудь тяжелые тела приходят в движение вследствие действия на них силы тяжести, то их общий центр тяжести не может подняться выше того уровня, на котором он находился в начале движения».
Важность этого результата была быстро осознана учеными. Немецкий философ и математик Готфрид Лейбниц (1646- 1716) обратил внимание на то, что из законов свободного падения следовала пропорциональность высоты, которой достигает колеблющееся тело при неизменной массе, квадрату его скорости. Поскольку при колебании без трения; высота, с которой падает тело, равна высоте поднятия, то, следовательно, сохраняется произведение ". Лейбниц назвал это произведение «живой силой» и развил далее мысль о том, что Вселенная обладает сохраняющимся запасом «живых сил».
Откуда произошел термин «живая сила»? Непосредственный опыт показывал, что сила может быть вызвана покоящимся телом, например сжатой пружиной, телом, которое давит на опору и т. д. С другой стороны, силовое действие может быть произведено движущимся телом. Естественно было в первом статическом случае говорить просто осиле (мертвой), а во втором, чтобы подчеркнуть ее принадлежность к движению, изменению, о силе живой.
Следует заметить, что в некоторых курсах теоретической механики до сих пор сохраняется этот термин, и закон сохранения механической энергии фигурирует под именем «теоремы о живых силах».
Сохранение «живой силы» было установлено в опытах Гюйгенса с соударением шаров. В знаменитой 11-й теореме о соударениях тел Гюйгенс писал: «При ударе двух тел сумма произведений их масс на квадраты их скоростей одинакова до удара и после него».
Особое внимание уделили принципу сохранения живых сил Иоганн и Даниил Бернулли . В сочинении 1750 г. Даниил Бернулли рассматривает общий случай системы частиц, между которыми действует сила тяготения, и показывает, что независимо от путей, по которым перемещаются частицы, сумма их «живых сил» остается постоянной. «Природа,- заключает он,- никогда не изменяет великому закону сохранения живых сил».
Еще более глубокое представление мы находим в сочинении Иоганна Бернулли «Рассуждение о законах передачи движения». Он подчеркивает, что живая сила сохраняется вечно, .что этот всеобщий закон природы действителен и в том случае, когда на первый взгляд наблюдаются отклонения от него. «Если, например,- пишет Бернулли,- тела не абсолютно упруги, то кажется, что при сжатии их, не сопровождающемся возвратом к начальному состоянию, часть живых сил утрачивается. Но мы должны себе представить, что это сжатие соответствует сгибанию упругой пружины, которой препятствуют разогнуться, так что она не отдает тех живых сил, которые были ей сообщены, но сохраняет их в себе».
Здесь ясное предчувствие перехода кинетической энергии в потенциальную энергию упругой деформации и внутреннюю энергию тела. Однако до четкого представления о потенциальной энергии и строгой формулировки закона сохранения механической энергии физике пришлось пройти более 100 лет. Понятие потенциальной энергии в четкой форме появилось в 1847 г. в книге великого немецкого физика Гельмгольца «О сохранении силы».

Герман Гельмгольц родился в 1821 г. в Потсдаме, в семье учителя гимназии. Мать его - Католина Пэн - происходила из семьи английских эмигрантов. Стесненный семейный бюджет не позволил талантливому юноше поступить в университет. Гельмгольц был вынужден выбрать карьеру врача. После окончания гимназии он поступил в Высшую военно-медицинскую школу в Берлине. В 1842 г. он защитил диссертацию и получил место военного врача. В армейских казармах Потсдама Гельмгольц начал физиологические исследования; одновременно он глубоко проник в основания физики. Результатом его физико-философских размышлений было гениальное произведение «О сохранении силы». Работа была доложена на заседании физического общества в Берлине 23 июля 1847 г. и в этом же году издана в виде брошюры. Она быстро создала автору мировую славу, но вначале это мало повлияло на его карьеру. По рекомендации Гумбольдта молодой врач стал в 1848 г. ассистентом Анатомо-физиологического музея в Берлине. Но уже через год его приглашает Кеннингсберг на должность профессора анатомии и физиологии. В 1855 г. Гельмгольц переезжает в Бонн, а через три года в Гейдельбергский университет. Постепенно растет удельный вес физической математики в его исследованиях. С 1871 г. Гельмгольц возглавляет немецкую физическую школу. Умер Гельмгольц в 1894 г.

Кинетическую энергию Гельмгольц называл по-прежнему живой силой, потенциальная энергия появилась под именем «количества сил напряжения». Все многообразие форм энергии Гельмгольц сводил к этим двум формам. Закон сохранения энергии он представлял в двух формах. Первая - обобщенная форма: количество затраченной работы равно количеству полученной энергии. Вторая - частная в современной терминологии формулируется так: сумма кинетической и потенциальной энергии в замкнутой системе остается всегда постоянной.
Следует отметить, что понятие работы сложилось раньше понятия энергии. Для измерения работы эталоном была работа поднятия груза определенной массы на определенную высоту. У Гельмгольца читаем: «Количество работы, которое получается или затрачивается, может быть, как известно, выражено как работа поднятия на определенную высоту h груза т ;работа равна mgh ... Чтобы подняться свободно на высоту h , тело должно обладать начальной скоростью ; эту же скорость теле получает при обратном падении на Землю. Таким образом, ».
Методические замечания.
1. При освещении связи работы и энергии естественно следовать историческому ходу событий. Вначале формируется понятие работы, затем устанавливается, что всякая работа имеет определенный энергетический эффект: работа ускоряющей силы приводит к возникновению равного количества «живой силы» - кинетической энергии, работа против силы тяготения или упругости приводит к появлению потенциальной энергии, работа против силы трения - к приращению внутренней энергии и т. д. Здесь историческое совпадает с логическим.
Известна связь между законами динамики и законом сохранения количества движения. Аналогичную связь целесообразно подчеркнуть и для закона сохранения механической энергии. В случае прямолинейного движения тела с постоянной массой мы можем написать:
Пусть тело ускоряется так, что скорость возрастает от υ 1 до υ 2 . Средняя скорость будет , изменение скорости . Умножая обе части равенства (1) на υ ср, получаем
или , откуда .
В отсутствии внешних, сил F = 0 мы получаем закон сохранения кинетической энергии: .
2. Закон сохранения энергии имеет очень сложную, почти 300-летнюю историю. К ней необходимо обращаться несколько раз, выбирая материал, помогающий освещению вопросов, которые рассматриваются в данном разделе. Поскольку речь идет о механических формах энергии, целесообразно детально рассмотреть маятник Галилея . Это крайне простой прибор для демонстрации превращения потенциальной энергии в кинетическую и обратно в потенциальную (рис. 1). В доску вбит гвоздь А для подвешивания груза В. По горизонтали в отверстия D , G , … вставляются металлические или деревянные штыри. Если груз отклонить и отпустить с высоты h , то где бы ни был вставлен штырь, груз поднимется на ту же высоту h .
Одновременно здесь можно демонстрировать независимость работы в поле тяготения от формы пути.

Важнейшим достижением естествознания фарадеевского периода является установление закона сохранения энергии. Значение этого закона выходит далеко за рамки частного физического закона. Вместе 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 отчётливо у Ломоносова. Немецкая философия Гегеля внесла идею о превратимости и взаимной связи явлений. Но она представляла мир в извращённом виде и оказала плохую услугу новому закону. Идеалистическая воинствующая направленность немецкой философии против французского материализма, служившего до сих пор теоретической базой естествознания, надолго отбила вкус у естествоиспытателей к философии вообще.

И философский привкус первых работ Майера, Гельмгольца и Кольдинга мешал физикам-практикам разглядеть существо новых идей. Понадобилась гениальная переработка гегелевской диалектики с целью извлечения из неё «рационального зерна» Марксом и Энгельсом, чтобы создать подлинно научную методологию - метод диалектического материализма, о чём мы уже говорили выше. Но в данную эпоху новому, великому обобщению естествознания приходилось пробивать дорогу, преодолевая и установившиеся традиции механического мышления, и противодействие идеалистической реакции. И если новый принцип победил, то это случилось, конечно, прежде всего потому, что он был верен, но также и потому, что созрели материальные предпосылки для установления истины.

В чём же заключались эти материальные предпосылки? Почему не могли восторжествовать в XVIII в. гениальные идеи Ломоносова о теплоте как форме движения? Почему, несмотря на наличие паровых машин, опытов Румфорда, Дэви и Петрова, продолжала существовать ещё старая флюидная теория тепла? Почему, несмотря на почти общепринятость истины о невозможности перпетуум мобиле (см. Л. Карно, С. Карно, Клапейрон), всё же надлежащего обобщающего вывода не было сделано? И только в сороковых годах начало формироваться учение о сохранении и превращении энергии.

Причина заключалась в том, что мануфактурный период в Европе закончился, наступил период промышленного капитализма с его куплей-продажей «свободной» рабочей силы, с его новой технической основой.

Не случайно, что период установления закона сохранения энергии совпал с периодом создания марксистской политической экономии, сорвавшей маску с мистической тайны стоимости, «справедливой» заработной платы, «нормальной» прибыли. То, что было сделано Марксом в сфере общественных отношений, было сделано авторами закона сохранения энергии в сфере естествознания. Но Маркс выяснял общественный характер человеческого труда, его социальную функцию. Работа же как естественно-научная категория стала предметом внимания техников, физиологов и физиков. Смешение этих двух вещей нередко порождает путаницу.

Энгельс в своей известной статье «Мера движения. - Работа», справедливо указывает, что в английском языке существуют два термина для работы: «labor» (труд) и «work» (работа), первый из которых относится к сфере политической экономии, второй - к естествознанию. В русском-языке можно также точно отграничить употребления слов «труд» и «работа». Во всяком случае суть дела заключается в том, что новые производственные отношения поставили вопрос о сравнении и стоимости различных работ, об их эквиваленте. Этот факт ясен даже и для буржуазных историков, науки, как, например, Тэта. Но опять-таки, смешивая социальную функцию труда с физической работой, она затушёвывала хищнический, грабительский характер капиталистического присвоения, толкуя о какой-то-«естественной» мере и стоимости работы. В этом отношении техники и физиологи, занимающиеся опытами по сравнению мощностей живых и механических двигателей, выполняли определённый социальный заказ (Любопытной иллюстрацией этого «социального заказа» могут служить слова Гельмгольца о поисках перпетуум мобиле в XVIII в. (автоматика) и слова Араго о роли паровой машины. Говоря о знаменитых автоматах XVIII в. (см. гл. X), Гельмгольц замечает:
«Было бы непостижимо, что люди, по изобретательности не уступавшие наиболее выдающимся умам нашего столетия, посвятили столько времени и труда, положили бездну остроумия на устройства этих автоматов - для нас не более как детских игрушек, если бы они не верили в возможность истинного успеха». «… И если некоторые механики и не питали надежды вдунуть в свои создания души, одарённые нравственными совершенствами, то, вероятно, многие отказались бы от нравственных: совершенств своих слуг с тем, чтобы лишить их и недостатков, сообщить им исправность механизма, заменить бренность тела выносливостью стали и меди». А вот слова Араго о роли машины Уатта:
«Уатт, господа, сотворил от шести до восьми миллионов работников, неутомимых, прилежных, между которыми не бывает ни стачек, ни бунтов и из которых каждый стоил в день только 5 сантимов».
Так, ещё на «прекрасной заре» своего восхода капитализм мечтал получить, в свои руки силу, которая вообще бы уничтожила источник его беспокойства - рабочий класс. В эпоху империализма эти тенденции становятся ещё более острыми и неприкрытыми.
Характерна, например, реакция на издание «электронного мозга», т. е. электронно-счетных машин, которые якобы признаны заменить умственный труд наподобие того, как обычные машины «заменили» физический труд. Создание заводов-автоматов, управляемых нажатием кнопки, как кажется, приводит к осуществлению «важной мечты» капиталистов. Но опыт истории учит, что развитие техники втягивает вее большие и большие массы людей в сферу общественного производства.). Но, разумеется, и технический прогресс, в первую очередь появление и развитие паровых двигателей, стимулировал такие опыты. Уатт производил эксперимент сравнения производительности лошадей и его машины. Эта производительность оценивалась количеством откачанной с определённой глубины воды за определённое время, т. е. той величиной, которую, в технике называют мощностью. Эти опыты послужили поводом к установлению единицы мощности - «лошадиная сила», которая наряду с килограммом, употребляемым в двух смыслах, представляет и сегодня камень преткновения для понимания учащихся. Таким образом, «мера движения - работа» с железной необходимостью вторгалась в естествознание и технику.

Мы знаем, что уже Галилей в свой термин «момент» или «импето» часто вкладывал смысл произведения силы на путь, что Лейбниц, предлагая свою меру движения - «живую силу», исходил из принципа эквивалентности движений, обладающих одинаковым значением ph. В дальнейшем Л. К а р н о в своём трактате о машинах устанавливает связь между живыми силами и механической работой и предлагает оценивать деятельность машины произведением поднятого груза на высоту. Это произведение К а р н о обозначил, как «действующий момент» (moment d’active). М о н ж называл работу «динамическим эффектом» (effet dinamique). Но уже в 1807 г. Ю н г в своих «Лекциях по натуральной философии» писал: «Почти во всех случаях, встречающихся в практической механике, работа, необходимая для воспроизведения движения, пропорциональна не моменту, а энергии произведенного работой движения». «Словом энергия следует обозначать произведение массы или веса тела на квадрат числа, выражающего скорость».

Наконец, в 1829 г. в трактате «Введение в техническую механику» П о н с е л е (1788-1867) окончательно удерживает по совету К о р и о л и с а термин «работа» и высказывает принцип сохранения энергии в механических процессах: удвоенная алгебраическая сумма работ равна сумме живых сил (mv 2), работа или живая сила никогда не получается из ничего и не превращается в ничто, а только преобразуется.

Таким образом, практики нащупали правильную меру движения. Однако в теоретической механике ещё господствовала безнадёжная путаница понятий, связанная в первую очередь со словоупотреблением «сила». А когда термин «сила» стал с различными прилагательными (химическая сила, электрическая сила, жизненная сила и т. п.) применяться в самых разнообразных областях естествознания, то положение еще более осложнилось, и в лабиринте «сил» запутался даже такой мощный ум, как Фарадей. В теоретической механике, наряду с ньютоновским понятием силы и количества движения (импульс), имели хождение величины «живые силы» (mv 2), «действие» (mvs или mv 2 t ). В 1828 г. в «Трудах Ирландской академии» вышла знаменитая «Теория системы лучей» Гамильтона, значение которой выявилось только в двадцатых годах нашего века, а в 1834-1835 гг. в тех же «Трудах» появилась его работа «Об общем методе динамики», содержащая мощный принцип Гамильтона. В этих исследованиях устанавливается замечательная аналогия между движением световых волн в среде с переменным показателем преломления и движением частицы в силовом поле. Эта аналогия находит своё выражение в соответствии между принципом Ферма в геометрической оптике и принципом наименьшего действия Мопертюи в механике. Последний принцип был уточнён и обобщён Гамильтоном. Для описания движения Гамильтон вводит новые переменные и новые функции. Из этих последних особенно замечательна «силовая функция», с помощью которой выражаются силы, зависящие только от конфигурации взаимодействующих частиц. Функция Гамильтона для случая стационарных консервативных сил представляет не что иное, как полную энергию системы. То, что мы называем теперь потенциальной, энергией, у Гамильтона обозначается как «сумма сил напряжения», а кинетическая энергия - как «сумма живых сил».

Мы не будем здесь входить в обсуждение по существу замечательных исследований Гамильтона, повторяем, что их оценка и дальнейшее развитие наступили позже. Здесь они нас интересуют как определённый этапа в выработке математических понятий, необходимых для формулировки различных частных случаев принципа энергии. Понятие потенциальной энергии и тесно связанное с ним понятие потенциала (или обратной по знаку силовой функции) принадлежит к числу таких понятий. Но Гамильтон не был пионером в введении этой фундаментальной в математической физике величины. Мы говорили уже об Эйлере, Лагранже, Лапласе и Пуассоне. Здесь мы должны упомянуть о классической работе даровитого пекаря Грина (1793-1841) «Опыт приложения математического анализа в теории электричества и магнетизма», вышедшей в 1828 г. Грин ввёл «потенциальную функцию», установил для неё математические соотношения (формулы Грина, функция Грина) и применил к решению электростатических и магнетостатических задач. Хотя работы Гамильтона и Грина и не привлекли вначале должного внимания, однако новая функция, получившая название «потенциала», в сороковых годах вошла во всеобщее употребление благодаря Гауссу, сочинение которого «Общие теоремы, касающиеся притягательных и отталкивательных сил, действующих обратно пропорционально квадрату расстояния», вышло в 1839 г. в четвёртом томе «Результатов наблюдений магнитного общества», издаваемого Гауссом и Вебером.

Итак, математические абстракции, необходимые для формулирования принципа, к сороковым годам были выработаны, равно как и была завершена его формулировка в механике (теорема живых сил, консервативные силы).

Вернёмся, однако, к тем материальным и общественным предпосылкам, которые стимулировали возникновение нашего принципа. Развитие паротехники в первой трети XIX в. обеспечило дальнейшее победное шествие «его величества пара». Усовершенствование конструкций паровых машин обеспечивало повышение их коэффициента полезного действия и расширяло область их применения. Внедрение парового двигателя в транспорте имело огромное революционизирующее значение. Впервые мысль о применении «силы огня» для передвижения возникла в судоходстве. Мы упоминали уже о лодке Папина, разбитой судовладельцами Касселя. В 1736 г. Джо Г у л ь с взял патент на применение ньюкоменовской машины для движения судна (паровая лодка). Трагически покончил с собой, отчаявшись реализовать своё изобретение, Ф и ч. В его лодке паровая машина приводила в движение вёсла. Фультону пришлось затратить много сил, чтобы убедить людей в практической полезности парохода. Наполеон готовился форсировать Ламанш, когда к нему явился смелый изобретатель со своим проектом. Успех был более чем сомнительный. Наполеон счёл Фультона за шарлатана и выгнал его из кабинета. «Он уверял меня, что можно двигать суда с помощью кипятка», - объяснял свой гнев полководец.

Только в Америке в 1807 г. на реке Гудзон пошёл первый пароход Фультона «Клермонт». В Европе первый пароход пошёл в Шотландии по р. Клайде в 1812 г. Этот пароход был построен знакомым Фультона механиком Беллем. Вначале пароходы применялись только на реках, но затем они появились и на море. С 1838 г. установилось регулярное пароходное сообщение. Первые пароходы были колёсными. Но в 1839 г. шведский изобретатель Э р и к с о н предложил применить винт. Винтовые пароходы начали вытеснять колёсные с тех пор, как в 1843 г. винтовой фрегат «Прайнстон» победил в состязании на скорость знаменитый колёсный пароход «Грет Вестерн» (который был одним из первых пароходов, переплывших Атлантический океан).

Значительно сложнее оказалась задача применения пара в сухопутном транспорте. Тяжесть котла, топлива, воды, самой машины казались почти непреодолимым препятствием. Плохо было изучено трение, и хотя конно-железные дороги в английских копях применялись уже в XVIII в., однако мысль о возможности замены живого двигателя паровой колёсной машиной казалась весьма цесообразной.

Предполагалось, что трение колёс о рельсы будет настолько незначительным, что необходимого «зацепления», создающего движущий момент, не получится. В 1770 г. К ю н ь о сконструировал паровую повозку (рис. 222), которая, вопреки предсказаниям скептиков, пошла, но оказалась трудноуправляемой и налетела на стену.

В Америке энтузиастом паровых «самодвижущихся» экипажей был Оливер Э в а н с (1755-1814), который вполне был уверен в возможности применения машины высокого давления для транспорта. Такую машину он спроектировал в 1786 г., а в следующем году возбудил ходатайство о патенте на паровую повозку. Однако практически реализовать свои идеи
он смог только в 1801 г., когда ему удалось построить вездеходную землечерпательную машину «амфибию».

В 1805 г. Эванс выпустил «Руководство машиностроителя», в котором излагались его идеи и проекты, в частности идея жаротрубного котла. Но неудачи преследовали изобретателя, в 1819 г. сгорели его мастерские, вскоре за пожаром последовала смерть.

Существенно, что изобретателям паровозов приходилось бороться не только с сопротивлением приверженцев старины, но и с новаторами техники, идущими по другим путям. Уатт был противником паровых экипажей и паровозов; он считал опасным и недопустимым применение машин высокого давления. Его талантливому ученику и помощнику М е р д о х у пришлось строить свою паровую повозку тайком от учителя. Мердоху помогал тринадцатилетний Треветик, ставший убеждённым сторонником нового дела. Нелегко и небезопасно было строить самодвижущиеся экипажи. Взрывы котлов при тогдашнем уровне машиностроительной техники были нередким явлением. «Треветика надо повесить», - говорил Уатт, услыхав о такой аварии. Всё же Треветику удалось построить первый паровоз и доказать возможность его движения по гладкому рельсовому пути. Но заинтересовать промышленников в своём изобретении ему не удалось, и паровоз долго играл роль аттракциона.

Причина неуспеха талантливых изобретателей при всей их убеждённости и настойчивости заключалась не только в инертности общества, но и в крайнем несовершенстве их изобретений. Малопроизводительные котлы не обеспечивали достаточно мощной и непрерывной подачи пара в цилиндр. Сохранился ещё ненужный балансир, не решена была ещё задача непрерывного действия. Наконец, несмотря на опыты Треветика, считалось, что паровоз не в состоянии тянуть повозки с общим весом, превышающим его собственный вес, Предполагалось, что трение колёс паровоза о рельсы такое же, как трение вагонов о рельсы. Поэтому техническая мысль искала путей создания искусственного «упора». Так в 1811 г. Блекинсон взял патент на паровоз с зубчатыми колёсами, движущимися по зубчатой рейке. Этот паровоз был построен М у р р е е м.

Б р у н т о н снабдил паровоз специальными «ногами» - толкачами. Но инженер X е д л е й решил изучить вопрос экспериментально. Его опыты доказали, что трение самодвижущегося экипажа (ведущих колёс) значительно превосходит трение ведомых колес и что можно обеспечить тягу поезда, вес которого будет превышать вес самого паровоза. «Пыхтящий Билли» - паровоз Хедлея - был построен в 1813 г. И всё же при тогдашнем состоянии железнодорожных путей проблема парового транспорта ещё не была решена. Её, решение выпало на долю сына кочегара Джорджа Стефенсона (1781-1848).

Рано начав трудовую жизнь, Стефенсои в 17 лет был уже машинистом при паровой машине в Келлингвортских шахтах. Здесь он имел возможность изучить технику паровых машин, а в дальнейшем и работу железных дорог с применением паровозов. Он пришёл к выводу, что улучшение конструкции паровозов с одновременной реконструкцией рельсовых путей даст необычайный эффект. Ему удалось заинтересовать влиятельных людей и добиться разрешения для постройки железнодорожной линии Стоктон - Дарлингтон. Когда образовалась компания по строительству и эксплуатации этой линии (Пиз, Стефенсон), Стефенсон пророчески указал, что он предвидит в будущем широкое развитие железнодорожного транспорта, указав на его демократичность, на доступность всем слоям общества.

Линия была открыта 25 сентября 1825 г., и эта дата считается начальной в истории железнодорожного сообщения. Линия обслуживалась паровозом Стефенсона («Локомошен № 1»), но одновременно была и конная тяга для пассажирского движения.

Успех первого опыта поставил на очередь вопрос о строительстве новой линии широкого значения. В парламенте было возбуждено ходатайство о строительстве дороги Манчестер - Ливерпуль. Не случайно, что в первую очередь встал вопрос именно об этой трассе. Ливерпуль - это второй после Лондона порт, через который в страну поступала основная масса хлопка, а Манчестер - крупнейший центр хлопчатобумажной промышленности. Несмотря на то что город находился на судоходной реке Мерсей и был соединён с морем каналом, транспорт представлял серьёзное препятствие для его растущей промышленности и торговли. Манчестер был центром так называемого «фритредерства», т. е. движения торговой и промышленной буржуазии за свободу торговли, которому противостояла партия крупных землевладельцев-помещиков, чьи интересы защищали «тори» (консерваторы).

Вокруг нового проекта загорелась ожесточённая борьба. Помещики и лорды всячески сопротивлялись утверждению проекта. В результате новую линию пришлось проводить по крайне неудобным местам, непроходимой болотной топи, через холмы и т. д. Молодая отрасль техники, техника железнодорожного строительства, встретилась с серьёзными препятствиями. Надо было устраивать надёжное основание и насыпи на болотах, прорывать туннели через холмы. К этому прибавлялось ожесточённое противодействие землевладельцев, организовавших нападение на разведывательные и строительные партии. Да и у самих инициаторов строительства ещё не было доверия к паровой тяге и считалось, что тяга останется конной.

Стефенсон взялся изготовить локомотив, который сможет развивать скорость до 30 миль в час. В своём локомотиве он применил жаротрубные котлы, не зная, что аналогичное изобретение было сделано уже Сегеном. На знаменитом соревновании паровозов 1 октября 1829 г. победа осталась за стефенсоновской «Ракетой», которая могла развивать скорость до 35 миль в час. Вопрос о паровой тяге был решёц, и 15 сентября 1830 г. линия Манчестер - Ливерпуль была открыта.

Огромная прибыль, принесенная дорогой за первый год её существования, разрешила все сомнения. Те лорды, которые загоняли новую дорогу в непролазные топи, теперь соглашались пропустить трассу «через свою собственную спальню». Началась железнодорожная горячка. В 1832 г. была построена первая железная дорога во Франции (любопытно, что Араго был противником дорог), в 1835 г. - в Германии. Особенно интенсивно развернулось железнодорожное строительство в США.

В России первая заводская дорога с паровой тягой была построена крепостными Демидова, отцом и сыном Черепановыми, на Урале, в Нижнем Тагиле, протяжённостью в 400 саж. Она была проложена между месторождением медных рудников, находящихся у подошвы горы Высокой, и медеплавильным заводом, расположенным на реке Вые, с целью удешевления доставки сырья к месту производства.

Первый паровоз, построенный отцом Ефимом и сыном Мироном Черепановыми, потерпел неудачу. При его опробировании взорвался котёл. Но это не сломило упорства талантливых железнодорожных мастеров, и в 1834 г. был построен новый паровоз, пущенный в эксплуатацию на упомянутой выше железной дороге. Этот первый паровоз, выстроенный в России, назывался «сухопутный пароход» и «ходил по колёсопроводам», поднимая груз до 3,5 тонн, со скоростью около 15 километров в час. Вскоре Демидовы заказали Мирону Черепанову к постройке второй «сухопутный пароход» увеличенной мощности.

Таким образом, Черепановыми, этими высокоодарёнными русскими новаторами, впервые была построена в России не только железная дорога, но и её подвижной состав.

30 октября 1837 г. была торжественно открыта вторая железнодорожная линия Петербург-Царское село. Это расстояние поезд из 8 вагонов прошёл за тридцать пять минут.

Успехи паротехники и явились одной из основных материальных предпосылок для закона сохранения энергии. Не случайно, что в первой из напечатанных работ Майера фигурирует паровоз в качестве иллюстрации идеи превращения сил, а в его фундаментальной работе 1845 г. находим указание, что паровые машины 1828 г. потребляли топлива при одинаковой мощности в 17 раз меньше первых уаттовских машин.

Серьёзные успехи в физиологии, позволившие отказаться от воззрениям на таинственную «жизненную силу», и введение жизненных процессов в круг обычных естественных процессов явились второй существенной предпосылкой нового закона. Эти успехи стали возможными в результате развития химии и физики, и в первую очередь развития химии горения и калориметрии.

Ещё в начале XIX в., по словам К. А. Тимирязева, «физиология выступала… с сомнением насчёт приложимости к организмам двух основных законов Лавуазье - законов сохранения вещества и постоянства элементов. Совокупностью целого ряда исследований, в которых на первом месте следует поставить труды Сенбье, Соссюра, Бусенго и Либиха, и главным образом тех исследований, которые доказали, что самый важный свой элемент - углерод - растения черпают из воздуха, удалось поставить вне сомнения, что все свои элементы растения заимствуют из троякой среды, их окружающей, - почвы, воды и воздуха. Таким образом выяснилось, что организмы подчиняются основным законам Лавуазье, а также определилась и химическая характеристика растения - в нём вещество неорганическое, минеральное, превращается в органическое».

Это воззрение на организм как на своеобразную химическую лабораторию и подводило вплотную к вопросу о сохранении энергии. Химики уже определяли теплоту химических реакций, и в первую очередь реакцию горения. Уже. в 1840 г. петербургский академик Г е с с мог высказать важное положение касательно теплот, выделяющихся при химических реакциях. Это положение в современной точной формулировке можно выразить так: «Полное количество тепла, выделяющегося при переходе группы А веществ в группу В веществ, не зависит от способа этого перехода, т. е. от рода и числа промежуточных реакций, если только физическое состояние групп А и групп В во всех случаях перехода одно и то же».

Закон можно выразить символически так: Q AB = U B — U A , где U AB - количество тепла, выделившегося (или поглотившегося) при переходе от группы веществ А к группе веществ В. Закон Гесса означал, что химики практически уже подошли к формулировке закона сохранения энергии. Вполне понятно, что физиологические исследования послужили толчком к открытию того же закона. «Явления траты и разрушения вещества в организме невольно наводят на размышления о том, что же выигрывает он от этой траты, и приводят нас к рассмотрению второй великой проблемы, поставленной и в значительной мере разрешённой физиологией в минувшем столетии, - к проблеме превращения энергии».

«Творцы этого физического учения, Майер и Гельмгольц, оба были физиологами и отъявленными врагами витализма; для них оно было особенно ценно тем, что не оставляло места для этой таинственной жизненной силы. Все проявления энергии в организме должны быть прослежены до какого-нибудь известного её физического или химического источника; ни одна единица механической работы, ни одна калория, так же как ни один атом вещества, не могут быть созданы этой таинственной силой. Мышечная работа, животная теплота происходят за счёт потенциальной энергии, заключённой органическом веществе, принятом в пищу» (Тимирязев).

Так обстоит дело со второй основной предпосылкой закона.

Наконец, те успехи, которые были достигнуты физиками в доказательстве единства и превратимости сил природы (превращение электричества в тепло и обратно, превращение электричества в магнетизм и обратно), явились третьей основной предпосылкой закона.

Первое место в развитии этой предпосылки бесспорно принадлежит Фарадею. «Старое и неизменное убеждение, что все силы природы зависят друг от друга, имея общее происхождение или, скорее, будучи различными проявлениями одной основной силы, часто заставляло меня думать о возможности доказать на опыте связь между тяжестью и электричеством и, таким образом, ввести первую в группу, цепь которой, включая магнетизм, химическую силу и теплоту, связывает вместе общими отношениями многие различные проявления силы». Такими словами Фарадей начинал серию исследований о связи тяготения с электричеством. Вполне понятно, что при наличии таких мощных предпосылок идея закона носилась в воздухе.

Очень важную роль в развитии учения о превратимоcти сил природы сыграли исследования Ленца, примыкающие в этом отношении к исследованиям Фарадея. Хотя Ленц, также как и Фарадей не формулировал прямо принципа превращения энергии, но 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.

Эмиль Христианович Ленц родился 12 февраля 1804 г. в Дерпте, ныне Тарту. По окончании в 1820 году гимназии Ленц поступил в университет и в связи с тяжелыми семейными обстоятельствами, не расчитывая найти дорогу к светской карьере, стал готовиться к духовной. Однако склонность к естественным наукам победила, и ректор университета Паррот, заметив эту склонность, рекомендовал юношу Ленца на должность физика в кругосветную экспедицию Коцебу 1823 г.

Ленц блестяще оправдал данную ему рекомендацию. Им в содружестве с Парротом были сконструированы приборы: глубомер, для измерения глубинных температур, впоследствии вновь изобретенный В. Томсоном, и батометр - прибор для взятия проб воды, также заново переоткрытый Петтерсоном и Нансеном.

Во время экспедиции Ленц производит океанографические, астрономические, магнитные наблюдения и одновременно пополняет свои знания в области физико-математических наук.

Труды Ленца в экспедиции Коцебу получили высокую оценку. Так, адмирал С. О. Макаров в 1892 г. писал о его океанографических исследованиях: «Наблюдения Ленца не только первые в хронологическом отношении, но первые и в качественном, и я ставлю их выше своих наблюдений и выше наблюдений Челленджора».

Труды Ленца получили высокую оценку и у современников: профессора Петербургского университета Н. П. Щеглова, академиков Паррота, Фусса и Коллиже, по представлению которых 5 мая 1828 г. Ленц избирается адъюнктом по физике. Вскоре Ленц командируется в экспедицию на Кавказ и Крым и производит геофизические и астрономические наблюдения. Из экспедиции он возвращается 23 мая 1830 г. в Петербург, где его ожидает известие о заочном избрании в экстраординарные академики.

Двадцатишестилетний академик достойно ответил на оказанную ему честь. Продолжая заниматься обработкой результатов экспедиций, Ленц вскоре обращается к той области, в которой ему было суждено прославить и себя и русскую науку, - к электричеству.

Получив известие об открытиях Фарадея, Ленц немедленно принялся за тщательное обследование процесса электромагнитной индукции. 7 ноября 1832 года он представил академии доклад: «О законах действия магнита на спираль при внезапном его приближении или удалении и о наивыгоднейшем устройстве спирали для магнито-электрических цепей». В этой работе Ленц закладывает основы баллистического метода, измеряя отброс стрелки мультипликатора, обмотка которого соединена с обмоткой катушки в свою очередь обвивающей якорь магнита, при внезапном отрыве якоря от магнита. Хотя Ленц еще неправильно принимал отброс пропорциональным силе тока, а не количеству электричества, как это есть на самом деле, тем не менее в результате тщательных и продуманных измерений он приходит к важному выводу, о независимости э. д. с. индукции от материала и диаметра провода обмотки, а также о независимости её от диаметра катушки. Очень существенно, что в этой работе Ленц выступает сторонником закона Ома, значение которого, как мы уже указывали, далеко не было оценено современниками. Своими трудами Ленц в немалой степени содействовал укреплению и развитию основоположного в электротехнике закона. Об этом мы скажем далее, при рассмотрении истории развития учения об электричестве.

Через год после названного исследования появилась новая фундаментальная работа Ленца: «Об определении направления гальванических токов, вызванных электродинамической индукцией» (доложена в Академии 29 ноября 1833 г.). В этой работе Ленц, анализируя результаты индукционных и электродинамических опытов Фарадея, Ампера, Де ля Рива, Барлоу и своих собственных, приходит к знаменитому закону, известному под именем «Правила Ленца», которые он здесь формулирует следующим образом: «Если металлический проводник перемещается вблизи тока или магнита, то в нём возникает гальванический ток. Направление этого (возбужденного) тока таково, что покоящийся провод пришёл бы от него в движение прямо противоположное действительному перемещению. Предполагается, что провод может двигаться только в направлении действительного движения или в прямо противоположном направлении».

В 1838 г. Ленц свой закон формулирует следующим образом: «Каждый электромагнитный опыт может быть обращен таким образом, что он приведет к соответствующему магнитоэлектрическому опыту. Для этого нужно только сообщить проводнику гальванического тока каким-либо иным способом то движение, которое он совершит в случае электромагнитного опыта, и тогда в нём возникает ток направления, противоположного направлению тока в электромагнитном опыте».

Исследования Ленца дали Гельмгольцу возможность подтвердить на примере явления электромагнитной индукции (вывод Гельмгольца см. ниже) закон сохранения энергии. Гельмгольц в своем сочинении ссылается на четыре работы Ленца. Кроме уже упомянутых это были исследования о тепловых и химических действиях тока.

В 1838 г. Ленд совместно с Якоби исследует действие электромагнитных машин. Они устанавливают важный факт, что максимальное действие таких машин - двигателей пропорционально площади цинковых электродов. Тем самым, по существу, ими был открыт закон сохранения энергии для случая превращения химической энергии в механическую.

В декабре 1842 г. Ленц приступил к исследованию тепловых действий тока. Результаты исследований были опубликованы в поггендорфовских «Анналах» в 1844 г. Аппарат Ленца представлял собой опрокинутый кверху дном стакан, укрепленный на доске. Отверстие стакана закрывалось стеклянной пробкой, в которую были впаяны две проволочки, служащие для подводки тока к спиральной проволочке, помещенной внутри стакана. В дне стакана имелось отверстие, закрываемое пробкой с термометром. Исследования Ленца показали, что выделяемая теплота пропорциональна квадрату силы тока, сопротивлению проволоки и времени прохождения тока. Это известный ныне закон Джоуля-Ленца является ничем иным, как законом превращения электрического тока в тепло. Ленц показал при этом, что количество выделенного тепла определяется площадью цинковых электродов батареи, т. е. количеством растворённого цинка. Следовательно, и в этом случае Ленц закладывает основы энергетики, электрохимических реакций.

Очень существенно, что Ленцу принадлежит приоритет в открытии принципа обратимости электромагнитных генераторов. Этот принцип по существу уже содержится в его формулировке правила для определения направления индукционного тока. Но Ленц в 1838 г. практически обратил в двигатель магнитоэлектрическую машину Пикси, опередив таким образом на 22 года Пичинотти, и на 35 лет Фонтена, которым обычно приписывается этот приоритет.

Об основоположных работах Ленца по электричеству мы скажем в другом месте. Здесь важно отметить, что Ленц отчетливо указывал на важное энергетическое значение электричества еще в 1839 г. в своей речи на университетском акте. Указав, что основными энергетическими ресурсами являются силы живых существ и теплота, как солнечная (сюда же Ленц относит энергию воды и ветра), так и получаемая от топлива, Ленц обращает внимание на быстрое истощение топливных ресурсов: лесов и ископаемых. «Поэтому обязанностью сознательной и думающей современности является по возможности щадить капитал, на который наши потомки будут иметь то же право, что и мы сами, и, следовательно, обратить свои взоры на другие вспомогательные источники…» И Ленц указывает, что имеется «источник движущей силы - электричество или гальванизм, который действительно дает обоснованную надежду хотя бы частично заменить службу пара». Хотя этот источник также получается за счет горения цинка в элементах, но «металл, растворяющийся в гальваническом элементе, может быть возможно снова выделен без значительных затрат или же найти полезное применение в растворе».

«Если таким образом гальванизм является единственным источником, из которого мы можем черпать механическую силу, то связанные с этим опыты имеют слишком большое значение, для того, чтобы им не были принесены некоторые денежные жертвы и мы с радостью должны отметить, что Россия раньше всех других стран стала на эту возвышенную точку зрения».

Таким образом Ленц ясно представлял энергетическую сущность электрических явлений, но общее эмпирическое направление его творчества помешало ему увидеть в своих опытах великий принцип естествознания.

Обширная и многосторонняя деятельность Ленца: преподавательская, организационная, техническая, отнимала у него здоровье и силы. В 1864 году он получил годичный отпуск для лечения в Рим. Здесь он скоропостижно скончался 10 февраля н. с. 1865 года.

Открытие закона сохранения и превращения энергии.

В.И.Ленин указывал, что развитие познания совершается по спирали. Наступает время, когда наука возвращается к идеям, однажды уже высказанным. Но это возвращение совершается на новом, более высоком уровне, которому предшествовал длительный исторический опыт познания. Ленин указывал, что попытки сохранить господствующие идеи, продолжить движение науки по прямой приводят к окостенению познания, к реакции, к идеализму. Мысли Ленина о развили познания блестяще подтверждаются историей открытия закона сохранения энергии.

Воззрения на теплоту как форму движения мельчайших «нечувствительных» частиц материи высказывались еще в XVII в. ф. Бэкон, Декарт, Ньютон, Гук и многие другие приходили к мысли, что теплота связана с движением частиц вещества. Но со всей полнотой и определенностью эту идею разрабатывал и отстаивал Ломоносов. Однако он был в одиночестве, его современники переходили на сторону концепции теплорода, и, как мы видели, эта концепция разделялась многими выдающимися учеными XIX столетия.

Успехи экспериментальной теплофизики, и прежде всего калориметрии, казалось, свидетельствовали в пользу теплорода. Но тот же XIX в. принес наглядные доказательства связи теплоты с механическим движением. Конечно, факт выделения тепла при трении был известен с незапамятных времен. Сторонники теплоты усматривали в этом явлении нечто аналогичное электризации тел трением -трение способствует выжиманию теплорода из тела. Однако в 1798 г.БенжаменТомпсон (1753-1814), ставший с 1790 г. графом Румфордом, сделал в мюнхенских военных мастерских важное наблюдение: при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура поднялась на 70 градусов Фаренгейта. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой. В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Этот опыт Румфорд считал доказательством того, что теплота является формой движения.

Опыты по получению теплоты трением повторил Дэви. Он плавил лед трением двух кусков друг о друга. Дэви пришел к выводу, что следует оставить гипотезу о теплороде и рассматривать теплоту как колебательное движение частиц материи. Эта гипотеза была поддержана Юнгом. В 1837 г. немецкий аптекарь (с 1867 г. профессор фармакологии) Фридрих Мор (1806-1879) послал редактору журнала «Annalen der Physik» Поггендорфу статью «О природе теплоты». Тот ее не принял, сославшись на то, что статья не содержит новых экспериментальных исследований. В ней Мор со всей определенностью указывал, что теплота является формой движения.

Мы видели, как фарадей в споре со сторонниками контактной теории в 1839-1840 гг. утверждал идею превращения сил с сохранением их постоянной количественной величины, фарадей по характеру мышления резко отличался от профессиональных ученых. Поэтому можно с полным основанием утверждать, что идея закона сохранения и превращения энергии вызревала не у специалистов-физиков. И не специалисты сыграли решающую роль в утверждении великого закона. Врач Майер, пивовар Джоуль, врач Гельмгольц - вот те три человека, за которыми история науки навсегда закрепила славу открывателей закона сохранения и превращения энергии.

Майер. Юлиус Роберт Майер родился 25 ноября 1814 г. в Гейльбронне в семье аптекаря. Он получил медицинское образование и отправился в качестве корабельного врача на о. Ява (до этого он несколько месяцев работал в клиниках Парижа). В течение годичного плавания (1840-1841) врач Майер пришел к своему великому открытию. По его словам, на этот вывод его натолкнули наблюдения над изменением цвета крови у людей в тропиках. Производя многочисленные кровопускания на рейде в Батавии, Майер заметил, что «кровь, выпускаемая из ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что, судя по цвету, я мог бы думать, что я попал на артерию». Он сделал отсюда вывод, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, т. е. артериальной и венозной... Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме».

Во времена Майера было распространено учение о жизненной силе организма (витализм). Живой организм действует благодаря наличию в нем особой жизненной силы. Тем самым физиологические процессы исключались из сферы физических и химических законов и обусловливались таинственной жизненной силой. Майер своим наблюдением показал, что организм управляется естественными физико-химическими законами, и прежде всего законом сохранения и превращения энергии. Вернувшись из путешествия, он тут же написал статью под заглавием «О количественном и качественном определении сил», которую направил 16 июня 1841 г. в журнал «Анналы...» Поггендорфу. Тот не напечатал статью и не вернул ее автору, она пролежала в его письменном столе 36 лет, где и была обнаружена после смерти Поггендорфа.

Поггендорф имел определенные основания отнестись сурово к работе Майера. Великая идея в ней выступает еще в неясной форме, статья содержит туманные и даже ошибочные утверждения. Вместе с тем в ней имеются гениальные высказывания, которые свидетельствуют о ясном понимании Майе-ром величия сделанного им открытия. Она начинается с общего утверждения, что «мы можем вывести все явления из некоторой первичной силы, действующей в направлении уничтожения существующих разностей и объединения всего сущего в однородную массу в одной математической точке». По Майеру, следовательно, все движения и изменения в мире порождаются «разностями», вызывающими силы, стремящиеся уничтожить эти разности. Но движение не прекращается, потому что силы неуничтожаемы и восстанавливают разности. «Таким образом, принцип, согласно которому раз данные силы количественно неизменны, подобно веществам, логически обеспечивает нам продолжение существования разностей, а значит, и материального мира».

Эта формулировка, предложенная Майером, легко уязвима для критики. Не определено точно понятие «разность», неясно, что понимается под термином «сила». Это предчувствие закона, а не самый еще закон. Но из дальнейшего изложения понятно, что под силой он понимает причину движения, которое измеряется произведением массы на скорость. Но причины измеряются произведенным действием, следовательно, «это произведение МС точно выражает также самую силу V; мы положим V = МС». Ошибка Майера, пе репутавшего количество движения с «силой», под которой он в дальнейшем понимает «энергию движения», очевидна. Но замечательно, что, рассматривая соударение двух тел равной массы, движущихся навстречу друг другу с равными скоростями, Майер описывает исчезновение механического движения оператором 0 («нуль») и считает, что движение 2АС (A - масса тел, С - скорость) при абсолютно неупругом ударе не исчезло, а превратилось в другую форму, которую он обозначает символом 02АС, а несколько позднее 02МС. Майер считает, что этой формой движения является теплота, и пишет. «Нейтрализованное движение 02МС, поскольку движение не происходит действительно в противоположных направлениях, служит выражением для теплоты.

Движение, теплота, и как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собою явления, которые могут быть сведены к одной силе, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам».

Это вполне определенная и ясная формулировка закона сохранения и превращения силы, т. е. энергии. В первой половине цитаты Майер говорит о конкретном случае применения закона при неупругом ударе («поскольку движения не происходят действительно в противоположных направлениях»), исчезнувшее механическое движение переходит в тепло. То, о чем думали еще Декарт и особенно Ломоносов, высказано теперь Майером со всей категоричностью: «...Образовавшаяся теплота, - пишет он, - пропорциональна исчезнувшему движению». Однако в этой незаконченной работе Майер не дает количественной оценки механического эквивалента теплоты. Такая оценка появилась в следующей работе Майера-«Замечания о силах неживой природы», опубликованной в «Annalen der chemie und Pharmazie» за 1842 г.

Здесь Майер ставит своей задачей уточнить понятие «силы» и найти соотношение между ними. Поскольку, по мнению Майера, силы являются причинами, к ним применимо общефилософское положение: «...causa aequat effectum (причина равна действию)». Так как в цепи причин и действий ни один член не может стать нулем, то силы неразрушимы. Вместе с тем различные причины являются проявлением одной и той же сущности. «...Причины,-говорит Майер,-суть (количественно) неразрушимые и (качественно) способные к превращениям объекты». По Май-еру, в природе существуют два вида причин: материальные и силы. «Силы суть следовательно: неразрушимые, способные к превращениям, невесомые объекты».

К таким объектам относится «...пространственная разность весомых объектов», т. е. то, что теперь мы называем потенциальной энергией тяжелого тела в поле тяжести. Майер подчеркивает, что для этой силы, которую он называет силой падения, поднятие не менее необходимо, чем тяжесть тела, и падение тел нельзя приписывать только действию тяжести. Исчезновение силы падения сопровождается появлением живой силы, которую Майер измеряет произведением массы на квадрат скорости. Закон сохранения живых сил в механике основан, по Майеру, «на общем законе неразрушимости причин».

Однако в «бесконечном числе случаев» сила падения не превращается в движение или поднятие груза, и Майер ставит вопрос: «Какую дальнейшую форму способна принять сила, которую мы познали как силу падения или движения?». Ответ на этот вопрос дает опыт, который показывает, что при трении получается теплота. «...Для исчезающего движения, -говорит Майер,- во многих случаях... не может быть найдено никакого другого действия, кроме тепла, а для возникшего тепла - никакой другой причины, кроме движения...» Майер иллюстрирует эту мысль весьма современным для его эпохи примером локомотива: «Локомотив с его поездом может быть сравнен с перегонным аппаратом: тепло, разведенное под котлом, превращается в движение, а таковое снова осаждается на осях колес в качестве тепла».

Народившая ся теплотехника, подсказавшая Карно тему его замечательного сочинения, подсказала и творцам закона сохранения и превращения энергии их великую идею. Образ локомотива, появившийся в первой печатной работе Майера, наглядно подтверждает это.

Далее, Майер ставит вопрос о том, «как велико соответствующее определенному количеству силы падения или движения количество тепла», т. е. ставит вопрос о термическом эквиваленте работы. И спользуя соотношение между теплоемкостями газов при постоянном давлении и постоянном объеме, он приходит к выводу, «что опусканию единицы веса с высоты около 365 м соответствует нагревание равного веса воды от 0 до 1°». Таким образом, Майер указал совершенно правильный метод определения механического эквивалента теплоты и правильно оценил его порядок (так же как и Карно). История науки отметила эту заслугу Майера, присвоив уравнению ср - сV = R название «уравнение Майера».

Особенно замечательно, что Майер из своего результата сделал совершенно правильный вывод о несовершенстве паровых машин. «Если с этим результатом, - пишет он, - сравнить полезное действие наших лучших паровых машин, то увидим, что лишь очень малая часть разводимого под котлом тепла действительно.превращается в движение или поднятие груза...» И здесь Майер высказывает замечательный прогноз о необходимости искать «более выгодный путь получения движения иным способом, чем посредством использования химической разности между С и 0, а именно - посредством превращения в движение электричества, полученного химическим путем».

Современные электровозы, сменившие локомотивы, подтвердили правоту Майера. Но задача замены двигателей внутреннего сгорания в автомобилях и тракторах электромоторами, питающимися удобными и экономичными химическими источниками, остается еще не решенной. Можно, подводя итоги, сказать, что, несмотря на двусмысленность термина «силы», неверную меру живой силы (вместо), эта работа Майера по праву считается основополагающей в истории закона сохранения и превращения энергии. Особенно важна идея Майера о качественном превращении сил (энергии) при их количественном сохранении. Майер подробно анализирует всевозможные формы превращения энергии в брошюре «Органическое движение в его связи с обменом вещества», вышедшей в Гейльбронне в 1845 г. Майер сначала думал опубликовать свою статью в тех же «Анналах химии и фармации», в которых была опубликована статья 1842 г., но редактор Либих, сославшись на перегрузку журнала химическими статьями, посоветовал переслать статью в «Анналы» Поггендорфа. Майер, понимая, что Поггендорф поступит с ней так же, как со статьей 1841 г., решил опубликовать статью брошюрой за свой счет.

Таким образом, первая статья Майера не была опубликована вообще, вторая увидела свет в не читаемом физиками химическом журнале, третья - в частной брошюре. Вполне понятно, что открытие Майера не дошло до физиков, и закон сохранения открывали независимо от него и другими путями другие авторы, прежде всего Джоуль и Гельмгольц. Закономерно также, что Майер оказался втянутым в тягостно отразившийся на нем спор о приоритете.

Вернемся к брошюре Майера. Она начинается с указания, что математика получила широкое применение в технике и естествознании, «являясь прочной осью естественнонаучного исследования». Однако в биологии ее влияние незначительно, «между математической физикой и физиологией живо чувствуется пропасть». Задача сочинения Майера-«установить метод, посредством которого оказалось бы возможным сблизить эти обе науки...»

Опять-таки можно поражаться прозорливости Майера и его смелости в выборе цели. Только в наши дни благодаря введению кибернетических методов началось сближение биологии, математики и техники, о котором думал Майер.

Задавшись целью применить идеи механики в физиологии, Майер начинает с выяснения понятия силы. И здесь он вновь повторяет мысль о невозможности возникновения движения из ничего «Ex nihilo nil fit» («из ничего ничего не бывает»), сила-причина движения, а причина движения является неразрушимым объектом. «Количественная неизменность данного есть верховный закон природы, распространяющийся равным образом как на силу, так и на материю», - провозглашает Майер. Эта формулировка поразительно напоминает формулировку «всеобщего закона» Ломоносова, распространяемого им «и на самые правила движения».

Заметим, что выдвижение Ломоносовым и Майером всеобщего закона сохранения в качестве «верховного закона природы» принято современной наукой, которая формулирует многочисленные конкретные законы сохранения в качестве основной опоры научного исследования.

Майер считает закон сохранения вещества прерогативой химии, закон сохранения силы - прерогативой физики. «То, что химия выполняет в отношении вещества, осуществляется физикой в отношении силы», -пишет Майер. Он говорит, что единственная задача физики - изучение силы в ее различных формах, исследование условий ее превращения. Таким образом, если химия, по Майеру, является наукой о превращении вещества, то физика является наукой о превращении силы, т. е. энергии.

В своей брошюре Майер перечисляет различные формы силы. Это, во-первых, «живая сила движения», т. е. кинетическая энергия движущихся масс. На второе место Майер ставит «силу падения», т. е. потенциальную энергию поднятого груза. «Величина силы падения измеряется произведением веса на данную высоту; величина движения - произведением движущейся массы на квадрат его скорости. Обе силы объединены также общим названием: «механический эффект».

Майер упорно опускает коэффициент 1/2 в выражении кинетической энергии, но он правильно объединяет потенциальную и кинетическую энергию как две формы механической энергии (механического эффекта).

Упомянув об исторической задаче человека: использовать для получения движения силы природы, - Майер характеризует современную ему техническую практику следующими словами: «Новому времени выпало на долю к силам старого мира - движущемуся воздуху и падающей воде - присоединить еще одну новую силу. Этой новой силой, на действия которой с удивлением смотрят люди нашего столетия, является тепло». И далее Майер утверждает: «Тепло есть сила: оно может быть превращено в механический эффект». На современном языке это утверждение Майера гласит: тепло есть энергия, оно может совершить механическую работу. Он подсчитывает работу локомотива, тянущего состав, и утверждает: «Действующая в локомотиве сила есть тепло».

Майер подробно подсчитывает механический эквивалент теплоты из разности теплоемкостей газа (этот подсчет нередко воспроизводится в школьных учебниках физики) и находит его, опираясь на измерения Делароша и Берара, а также Дюлонга, определивших отношение теплоемкостей для воздуха равным 367 кгс м/ккал.(1 кгс- м-употреблявшаяся ранее единица работы. Она равна 9,8 Дж. )

Майер приводит данные по теплотворной способности углерода и обращает внимание на низкий коэффициент полезного действия тепловых машин, максимальное значение которого в современных ему машинах составляло 5-6%, а в локомотивах не достигало и одного процента.

Затем Майер переходит к электричеству. Он рассматривает электризацию трением, действие электрофора и указывает, что здесь «механический эффект превращается в электричество». Бегло остановившись на магнетизме, он делает вывод: затрата механического эффекта вызывает как электрическое, так и магнетическое напряжение. Здесь в анализе Майера недостает той законченности и ясности, какая обнаруживается у него при анализе взаимоотношения теплоты и механического движения. Электричество и магнетизм еще не были изучены столь подробно, как теплота, электрические измерения носили качественный характер, основные понятия не были четко разработаны. Нужно удивляться гениальной интуиции Майера, понявшего, что эти процессы подчиняются закону сохранения энергии.

В заключение своего анализа Майер останавливается на «химической силе». Интересно, что вопрос о химической энергии у него сочетается с вопросом об энергетике солнечной системы. Он указывает, что поток солнечной энергии (силы), являющийся и на нашу Землю, «есть та непрестанно заводящаяся пружина, которая поддерживает в состоянии движения механизм всех происходящих на Земле деятельностей». Майер набрасывает картину того механизма, который обеспечивает жизнь на Земле, круговорот воды и воздуха под действием солнечных лучей и аккумулирования солнечной энергии для жизненных процессов.

«Природа, - пишет Майер, - поставила перед собой задачу поймать на лету льющийся на Землю свет и накопить самую подвижную силу, приведя ее в неподвижное состояние. Для достижения этой цели она покрыла земную кору организмами, которые, живя, поглощают солнечный свет и при использовании этой силы порождают непрерывно возобновляющуюся сумму химических различий. Этими организмами являются растения».

Так Майер раскрыл космическую роль растений и выдвинул перед наукой проблему фотосинтеза. Недаром строки его книги, посвященные анализу превращений солнечной энергии в живых организмах, вдохновили великого русского ученого К.А.Тимирязева, и он предпослал своей книге «Солнце, жизнь и хлорофилл» эпиграф из этой статьи Майера. Тимирязев подчеркивал в этой книге, что «рассматриваемый с точки зрения Майера процесс усвоения углерода приобретает новый и еще более широкий интерес».

Майер закончил развитие своих идей к 1848 г., когда в брошюре «Динамика неба в популярном изложении» он поставил и сделал попытку решить важнейшую проблему об источнике солнечной энергии. Майер понял, что химическая энергия недостаточна для восполнения огромных расходов энергии Солнца. Но из других источников энергии в его время была известна только механическая энергия. И Майер сделал вывод, что теплота Солнца восполняется бомбардировкой его метеоритами, падающими на него со всех сторон непрерывно из окружающего пространства. В работе 1851 г. «Замечания о механическом эквиваленте теплоты» Майер излагает сжато и популярно свои идеи о сохранении и превращении силы. Здесь он впервые защищает свой приоритет. Он признает, что открытие сделано им случайно (наблюдение на Яве), но «оно все же моя собственность, и я не колеблюсь защищать свое право приоритета». Он ссылается на свою статью 1842 г., цитирует» ее, приводит значение механического эквивалента теплоты, разъясняет свои взгляды на силу, которую он рассматривает как то, что позднее назвали энергией. Майер указывает далее, что закон сохранения энергии, «а также численное выражение его, механический эквивалент теплоты, были почти одновременно опубликованы в Германии и Англии». Он указывает на исследования Джоуля и признает, что Джоуль «открыл безусловно самостоятельно» закон сохранения и превращения энергии и что «ему принадлежат многочисленные важные заслуги в деле дальнейшего обоснования и развития этого закона». Но Май ер не склонен уступать свое право на приоритет и указывает, что из самих его работ видно, что он не гонится за эффектом. Это, однако, не означает отказа от прав на свою собственность.

Спокойный и достойный тон его заявлений о приоритете маскирует ту глубокую душевную травму, которая была нанесена ему «мелкой завистью цеховых ученых» и «невежеством окружающей среды», по словам К. А. Тимирязева. Достаточно сказать, что в 1850 г. он пытался покончить жизнь самоубийством, выбросившись из окна, и остался на всю жизнь хромым. Его травили в газетах, обвиняли скромного и честного ученого в мании величия, подвергли принудительному «лечению» в психиатрической больнице. С негодованием писал К.А.Тимирязев о тех, кто преследовал Майера и искалечил его жизнь «за то только, что он был гениальным ученым в среде окружающей его жалкой посредственности».

Майер умер 20 марта 1878 г. Незадолго до смерти, в 1874 г. вышло собрание его трудов по закону сохранения и превращения энергии под заглавием «Механика тепла». В 1876 г. вышли его последние сочинения «О торричеллиевой пустоте» и «Об освобождении сил».

Джоуль. Широкое, философское понимание закона сохранения энергии Майером, обобщение им закона на явления жизни и космос смущали физиков и рассматривались ими как метафизические размышления. Но проводимые одновременно и независимо от Майера эксперименты Джоуля подвели под обобщения Майера прочную экспериментальную основу.

Джеймс Прескотт Джоуль, манчестерский пивовар, владелец большого пивоваренного завода, родился 24 декабря 1818 г. Он рано увлекся электрическими исследованиями и конструированием электрических приборов, которые описывал систематически в небольшом специальном журнале. В октябре 1841 г. он опубликовал в «Philosophical Magazine» статью о тепловом эффекте электрического тока, в которой установил, что количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока.

Задолго до Джоуля аналогичные исследования были начаты петербургским академиком Э.Х. Ленцем, который опубликовал свою работу в 1843 г. под заглавием «О законах выделения тепла гальваническим током». Ленц упоминает о работе Джоуля, публикация которого опередила публикацию Ленца, но считает, что, хотя его результаты в «основном совпадают с результатами Джоуля», они свободны от тех обоснованных возражений, которые вызывают работы Джоуля.

«1. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально сопротивлению проволоки.

2. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока».

Точность и обстоятельность опытов Ленца обеспечили признание закона, вошедшего в науку под названием закона Джоуля - Ленца.

Джоуль сделал свои эксперименты по выделению тепла электрическим током исходным пунктом дальнейших исследований выяснения связи между теплотой и работой. Уже на первых опытах он стал догадываться, что теплота, выделяемая в проволоке, соединяющей полюсы гальванической батареи, порождается химическими превращениями в батарее, т. е. стал прозревать энергетический смысл закона. Чтобы выяснить далее вопрос о происхождении «джоулева тепла» (как теперь называется теплота, выделяемая электрическим током), он стал исследовать теплоту, выделяемую индуцированным током. В работе «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом эффекте теплоты», доложенной на собрании Британской Ассоциации в августе 1843 г., Джоуль сформулировал вывод, что теплоту можно создавать с помощью механической работы, используя магнитоэлектричество (электромаь нитную индукцию), и эта теплота пропорциональна квадрату силы индукционного тока.

Рис. 41. Схема опыта Джоуля

Этот вывод приводит Джоуля к другому, более общему выводу, который он обещает проверить в дальнейших экспериментах: «Могучие силы природы... неразрушимы,и... во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, получается точное эквивалентное количество теплоты». Он утверждает, что животная теплота возникает в результате химических превращений в организме и что сами химические превращения являются результатом действия химических сил, возникающих из «падения атомов» Таким образом, в работе 1843 г. Джоуль приходит к тем же выводам, к которым ранее пришел Майер.

Сообщение Джоуля было встречено собранием Британской Ассоциации с недоверием. Джоулю не было еще 25 лет, когда он выступил с этими новыми революционными воззрениями. Однако Джоуль продолжал свои исследования и в 1845 г. опубликовал работу «Об изменениях температуры, вызванных сгущением и разрежением воздуха». Как и в работе 1843 г., экспериментальная установка помещалась в сосуд с водой, служивший калориметром. Установка состояла из нагнетательного насоса и сосуда с воздухом, подвергающимся сжатию. Воздух сжимался до 22 атмосфер, и измерялась выделяемая при этом теплота.

Джоуль показал себя искусным и вдумчивым экспериментатором. Он принял меры для обеспечения постоянства температуры поступающего воздуха, учел поправки на теплоту, производимую трением, и установил, что механический эквивалент тепла в этом опыте равен 795 футо-фунтов на килокалорию (436 кгс-м/ккал). Затем Джоуль поместил в сосуд с водой два одинаковых сосуда, соединенные трубкой. В одном из сосудов воздух был сжат до 22 атмосфер, а из другого выкачан. Когда между обоими сосудами устанавливалось сообщение, измеряли температуру водяного резервуара. Она, как определил Джоуль, оставалась неизменной. Из этого часто описываемого в курсах термодинамики опыта Джоуль сделал вывод, что теплота не может быть веществом, она состоит в движении частиц тела. Из многочисленных опытов по нагреванию воздуха сжатием Джоуль нашел механический эквивалент теплоты равным 798 футо-фунтам на килокалорию (438 кгc*м/ккал).

Во второй работе 1845 г. и в работе 1847 г. Джоуль описывает многочисленные опыты с перемешиванием воды в калориметре. В 1850 г. он произвел новые классические опыты, из которых нашел значение механического эквивалента равным 424 кгс*м/ккал.

За опытами Джоуля с большим интересом следил молодой шотландский физик Вильям Томсон, будущий лорд Кельвин. Томсон еще в 1848 г. считал, что «превращение теплоты в механическую энергию, вероятно, невозможно и, безусловно, еще не открыто». Кажется странным, что современник паровых машин, паровозов и пароходов говорит о невозможности превращения теплоты в механическую энергию, но у Томсона, видимо, речь идет о другом. Он пишет: «Такой вывод можно сделать исходя из всего, что написано на эту тему. Противоположная точка зрения выдвигается Джоулем из Манчестера, поставившим целый ряд в высшей степени интересных опытов по выделению теплоты при трении жидкостей; некоторые хорошо известные явления в области электромагнетизма, по-видимому, в самом деле указывают на переход механической энергии в тепловую, но опыты, при которых имело бы место обратное преобразование, им не проводились».

Томсон знал работу Карно, знал, что Карно стоял на точке зрения теплорода. Ему известно было также, что ни Джоуль, ни кто-либо другой не проводил опытов по превращению теплоты в работу без остатка. Так намечался подход к будущему второму началу термодинамики. Тем не менее Томсон уже тогда глубоко интересовался работами Джоуля и в пятидесятых годах XIX в. провел совместно с ним знаменитый эксперимент, приведший к открытию эффекта, носящего имя Джоуля -Томсона.

Как мы уже говорили, Майер считал Джоуля одним из открывателей закона сохранения и превращения энергии. Но тогда уже многие претендовали на приоритет в этом открытии. Датский инженер Людвиг Август Кольдинг доложил в 1843 г. в Королевском Копенгагенском обществе о результатах своих опытов по определению отношения между механической работой и теплотой, которое он нашел равным 350. Майер упоминает о Гольцмане, который в 1845 г. вычислил механический эквивалент теплоты тем же методом, что и Майер. Можно было бы назвать ряд других имен, в той или иной мере причастных к великому открытию. Все это лишний раз доказывает, что время для открытия закона назрело и что к его открытию приходили разными путями врачи, ижене-ры, заводчики. Вопреки воззрениям цеховых ученых это красноречиво говорит о том, что жизнь и ее запросы являются основными двигателями научного прогресса.

Джоуль умер 11 октября 1889 г., за пять лет до смерти третьего члена «триады» Германа Гельмгольца.

Гельмгольц. Гельмгольц был одним из самых знаменитых физиков второй половины XIX столетия, общепризнанным лидером физической науки.

Герман Людвиг фердинанд Гельмгольц родился 31 августа 1821 г. в семье потсдамского учителя гимназии, в городе, бывшем резиденцией прусских королей, в том самом Потсдаме, где спустя 124 года после его рождения состоялась Потсдамская конференция, зафиксировавшая разгром фашистской Германии.

Гельмгольц получил медицинское образование, и его диссертация, защищенная им в 1842 г., была посвящена строению нервной системы. В этой работе двадцатидвухлетний врач впервые доказал существование целостных структурных элементов нервной ткани, получивших позднее название нейронов.

С 1843 г. начался служебный путь Гельмгольца в качестве потсдамского военного врача. Эскадронный хирург гусарского полка находил время и для занятия наукой. В 1845 г. он едет в Берлин для подготовки к государственным экзаменам на звание врача и здесь усердно занимается в домашней физической лаборатории Густава Магнуса.

Другим учителем Гельмгольца в Берлине был известный физиолог Иоганн Мюллер. В журнале Мюллера Гельмгольц опубликовал в 1845 г. работу «О расходовании вещества при действии мышц». В том же, 1845 г. молодые ученые, группировавшиеся вокруг Магнуса и Мюллера, образовали Берлинское физическое общество. В него вошел и Гельмгольц. С 1845 г. общество, превратившееся в дальнейшем в Немецкое физическое общество, стало издавать первый реферативный журнал «Успехи физики» («Fortschritte der Physik»).

Научное развитие Гельмгольца происходило, таким образом, в благоприятной обстановке возросшего интереса к естествознанию в Берлине. Уже в первом томе «Fortschritte der Physik in Jahre 1845», вышедшем в Берлине в 1847 г., был напечатан обзор, выполненный Гельмгольцем по теории физиологических тепловых явлений. 23 июля 1847 г он сделал на заседании Берлинского физического общества доклад «О сохранении силы». Подобно Майеру, Гельмгольц от физиологии перешел к закону сохранения энергии. Так же, как и у Майера, Поггендорф не принял работу Гельмгольца, и она была опубликована отдельной брошюрой в 1847 г.

На чествовании Гельмгольца по случаю его 70-летия он произнес 2 ноября 1891 г. речь, в которой охарактеризовал свой научный путь. Он указал, что под влиянием Иоганна Мюллера заинтересовался вопросом о загадочной сущности жизненной силы. Сам Мюллер в этом вопросе колебался между метафизическим учением виталистов и естественнонаучным подходом. Размышляя над этой проблемой, Гельмгольц в последний год студенчества пришел к выводу, что теория жизненной силы «приписывает всякому живому телу свойства так называемого perpetuum mobile». Гельмгольц был знаком с проблемой perpetuum mobile со школьных лет, а в студенческие годы «в свободные минуты... разыскивал и просматривал сочинения Даниила Бернулли, Даламбера и других математиков прошлого столетия». «Таким образом, я,- говорил Гельмгольц, - натолкнулся на вопрос: «Какие отношения должны существовать между различными силами природы, если принять, что perpetuum mobile вообще невозможен?» и далее: «Выполняются ли в действительности все эти отношения?» В моей книжке о сохранении силы я намеревался только дать критическую оценку и систематику фактов в интересах физиологов». Гельмгольц рассказывал, что авторитеты в то время не только не сочли его мысли известными, но, наоборот, «были склонны отвергать справедливость закона; среди той ревностной борьбы, какую они вели с натурфилософией Гегеля, и моя работа была сочтена за фантастическое умствование...». Однако в отличие от Майера Гельмгольц не был одинок, его поддержала научная молодежь, и прежде всего будущий знаменитый физиолог Дюбуа Реймон (1818-1896), и молодое Берлинское физическое общество. Что же касается отношения к работам Майера и Джоуля, то Гельмгольц неоднократно признавал приоритет Майера и Джоуля, подчеркивая, однако, что с работой Майера он не был знаком, а работы Джоуля знал недостаточно.

Обратимся к самой работе Гельмгольца. В отличие от своих предшественников он связывает закон с принципом невозможности вечного двигателя (perpetuum mobile). Этот принцип принимал еще Леонардо да Винчи, ученые XVII в. (вспомним, что Стевин обосновал закон наклонной плоскости невозможностью вечного движения), и, наконец, в XVIII в. Парижская Академия наук отказалась рассматривать проекты вечного двигателя. Гельмгольц считает принцип невозможности вечного двигателя тождественным принципу, что «все действия в природе можно свести на притягательные или отталкивательные силы». Материю Гельмгольц рассматривает как пассивную и неподвижную. Для того чтобы описать изменения, происходящие в мире, ее надо наделить силами как притягательными, так и отталкива-тельными. «..Явления природы, - пишет Гельмгольц, - должны быть сведены к движениям материи с неизменными движущими силами, которые зависят только от пространственных взаимоотношений».

Таким образом, мир, по Гельмгольцу, - это совокупность материальных точек, взаимодействующих друг с другом с центральными силами. Силы эти консервативны, и Гельмгольц во главу своего исследования ставит принцип сохранения живой силы Принцип Майера «из ничего ничего не бывает» Гельмгольц заменяет более конкретным положением, что «невозможно при существовании любой произвольной комбинации тел природы получать непрерывно из ничего движущую Силу». Этот принцип требует, чтобы «количество работы, которое получается, когда тела системы переходят из начального положения во второе, и количество работы, которое затрачивается, когда они переходят из второго положения в первое, всегда было одно и то же, каков бы ни был способ перехода, путь перехода или его скорость».

При этом мерой произведенной работы Гельмгольц считает половину про изведения (mv)2. «Для лучшего согласования с употребительным в настоящее время способом измерения силы я предлагаю величину 1/2(mv)2 обозначить как количество живой силы, благодаря чему она будет тождественна по величине с величиной затраченной работы». Таков важный шаг, сделанный Гельмголь-цем, в развитии закона сохранения энергии. Принцип сохранения живой силы в его формулировке гласит: «Если любое число подвижных материальных точек движется только под влиянием таких сил, которые зависят от взаимодействия точек друг на друга или которые направлены к неподвижным центрам, то сумма живых сил всех взятых вместе точек останется одна и та же во все моменты времени, в которые все точки получают те же самые относительные положения друг по отношению к другу и по отношению к существующим неподвижным центрам, каковы бы ни были их траектории и скорости в промежутках между соответствующими моментами». Гельмгольц выражает этот принцип математически формулой:

где Q и q - скорости в положениях R и г, Ф - «величина силы, которая действует по направлению r» и «считается положительной, если имеется притяжение, и отрицательной, если наблюдается отталкивание...».

Величину, выражаемую интегралом?dr, Гельмгольц называет «суммой напряженных сил между расстояниями R и г», и закон сохранения энергии получает следующую формулировку: «увеличение живой силы точки при ее движении под влиянием центральной силы равно сумме соответствующих изменению ее расстояния напряженных сил». Сегодня мы вместо «увеличение живой силы» говорим «приращение кинетической энергии» и вместо «сумма напряженных сил» - «убыль потенциальной энергии».

Переходя к системе точек, Гельмгольц устанавливает общее положение: «Всегда сумма существующих в системе напряженных сил и живых сил постоянна». «В этой наиболее общей форме, - пишет Гельмгольц, - мы можем наш закон назвать принципом сохранения силы».

Сформулировав этот принцип, Гельмгольц рассматривает его применения в различных частных случаях. Он указывает, что сохранение живых сил уже применялось в таких случаях, как движения, происходящие под влиянием силы всемирного тяготения, в явлениях передачи движений при посредстве несжимаемых твердых и жидких тел, в движениях вполне упругих твердых и жидких тел. Останавливаясь, в частности, на явлениях интерференции волн, распространяющихся в упругой среде, Гельмгольц показывает, что при интерференции «не имеется никакого уничтожения живой силы, а лишь только иное распределение ее».

Рассматривая электрические явления, Гельмгольц находит выражение энергии точечных зарядов и показывает физическое значение функции, названной Гауссом потенциалом. Далее он вычисляет энергию системы заряженных проводников и показывает, что при разряде лейденских банок выделяется теплота, эквивалентная запасенной электрической энергии. Он показал при этом, что разряд является колебательным процессом и электрические колебания «делаются все меньше и меньше, пока, наконец, вся живая сила не будет уничтожена суммой сопротивлений».

Затем Гельмгольц рассматривает гальванизм. Он указывает, что количество теплоты, выделяемое в металлическом проводнике с сопротивлением w в течение времени t, «равно, по Ленцу»,

и показывает, что это соответствует работе электрических сил. Гельмгольц разбирает энергетические процессы в гальванических источниках, в термоэлектрических явлениях, положив начало будущей термодинамической теории этих явлений Рассматривая магнетизм и электромагнетизм, Гельмгольц, в частности, дает свой известный вы вод выражения электродвижущей силы индукции, исходя из исследований Неймана и опираясь на закон Ленца.

В своем сочинении Гельмгольц в отличие от Майера уделяет главное внимание физике и лишь очень бегло и сжато говорит о биологических явлениях. Тем не менее именно это сочинение открыло Гельмгольцу дорогу к кафедре физиологии и общей патологии медицинского факультета Кенигсбергского университета, где он в 1849 г. получил должность экстраординарного профессора. Эту должность Гельмгольц занимал до 1855 г., когда он перешел профессором анатомии и физиологии в Бонн. Б 1858 г. Гельмгольц становится профессором физиологии в Гейдельберге. В Гейдельберге Гельмгольц много и успешно занимался физиологией зрения. Эти исследования существенно обогатили область знания и практическую медицину. Итогом этих исследований явилась знаменитая «физиологическая оптика» Гельмгольца, первый выпуск которой вышел в 1856, второй - в 1860, третий - в 1867 г.

Здесь же, в Гейдельберге, Гельмгольц проводил свои классические исследования по скорости распространения нервного возбуждения, по акустике. Его книга «Учение о звуковых ощущениях как физиологическая основа акустики» вышла в 1863 г. Наконец, в Гейдельберге вышли его классические работы по гидродинамике и основаниям геометрии.

С марта 1871 г. Гельмгольц становится профессором Берлинского университета. Он создает физический институт, в который приезжали работать физики всего мира, принимает активное участие в организации Государственного физико-технического института - центра немецкой метрологии, первым президентом которого он становится. Умер Гельмгольц 8 сентября 1894 г.

Разными путями шли открыватели закона сохранения и превращения энергии к его установлению. Майер, начав с медицинского наблюдения, сразу рассматривал его как глубокий всеобъемлющий закон и раскрывал цепь энергетических превращений от космоса до живого организма. Джоуль упорно и настойчиво измерял количественное соотношение теплоты и механической работы. Гельмгольц связал закон с исследованиями великих механиков XVIII в.

Идя разными путями, они наряду со многими другими современниками настойчиво боролись за утверждение и признание закона вопреки противодействию цеховых ученых. Борьба была нелегкой и порой принимала трагический характер, но она окончилась полной победой. Наука получила в свое распоряжение великий закон сохранения и превращения энергии.

Из книги Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное] автора Кондрашов Анатолий Павлович

Из книги Нейтрино - призрачная частица атома автора Азимов Айзек

Закон сохранения массы и энергии В ядерных реакциях изменения энергии столь значительны, что эквивалентностью массы и энергии уже нельзя пренебречь. Если следить за изменением одной только массы, кажется, что закон сохранения нарушается.Чтобы убедиться в этом,

Из книги Курс истории физики автора Степанович Кудрявцев Павел

Открытие радиоактивных преврещений. Идея атомной энергии Открытия конца XIX в. и первого пятилетия XX в. привели к революции в физическом миропонимании. Рухнуло представление о неизменных атомах, о массе как неизменном количестве вещества, о законах Ньютона как незыблемых

Из книги Эволюция физики автора Эйнштейн Альберт

Мера превращения Меньше 100 лет назад Майер ввел, а Джоуль экспериментально подтвердил новую идею, которая привела к понятию теплоты как формы энергии. Удивительно, что почти все фундаментальные работы о природе теплоты были сделаны физиками-непрофессионалами, людьми,

Из книги Движение. Теплота автора Китайгородский Александр Исаакович

IV. Законы сохранения Отдача Даже тот, кто не был на войне, знает, что при выстреле из орудия его ствол резко отходит назад. При стрельбе из ружья происходит отдача в плечо. Но и не прибегая к огнестрельному оружию, можно ознакомиться с явлением отдачи. Налейте в пробирку

Из книги НИКОЛА ТЕСЛА. ЛЕКЦИИ. СТАТЬИ. автора Тесла Никола

Закон сохранения импульса Произведение массы тела на его скорость называется импульсом тела (другое название – количество движения). Так как скорость – вектор, то и импульс является векторной величиной. Разумеется, направление импульса совпадает с направлением

Из книги Великий замысел автора Хокинг Стивен Уильям

Закон сохранения механической энергии Мы убедились на только что рассмотренных примерах, как полезно знать величину, не изменяющую свое численное значение (сохраняющуюся) при движении.Пока мы знаем такую величину лишь для одного тела. А если в поле тяжести движется

Из книги Вечный двигатель - прежде и теперь. От утопии - к науке, от науки - к утопии автора Бродянский Виктор Михайлович

ИСТОЧНИК ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ - ТРИ ПУТИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ОТ СОЛНЦА Во-первых, позвольте спросить: Откуда появляется движущая энергия? Что является источником, который все движет? Мы видим океан, который вздымается и опадает, текущие реки, ветер, дождь, град и снег,

Из книги Гравитация [От хрустальных сфер до кротовых нор] автора Петров Александр Николаевич

ОТКРЫТИЕ НЕОЖИДАННЫХ СВОЙСТВ АТМОСФЕРЫ - СТРАННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ - ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПО ОДНОМУ ПРОВОДУ БЕЗ ВОЗВРАТНОГО - ПЕРЕДАЧА ЧЕРЕЗ ЗЕМЛЮ ВООБЩЕ БЕЗ ПРОВОДОВ Другая из этих причин в том, что я пришел к осознанию того, что передача электрической энергии

Из книги 5a. Электричество и магнетизм автора Фейнман Ричард Филлипс

2. Власть закона Сколль, волк, который должен пугать Луну, пока она летит к Древу Скорби Хати, волк из рода Хродвитнира, который должен преследовать Солнце. Речи Гримнира, Старшая Эдда В мифологии викингов Сколль и Хати преследуют Солнце и Луну. Когда хотя бы один из

Из книги Механика от античности до наших дней автора Григорьян Ашот Тигранович

Глава вторая. УТВЕРЖДЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ И КОНЕЦ ВЕЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПЕРВОГО РОДА Пора чудес прошла, И мы теперь должны искать причины Всему, что совершается на свете. Шекспир. «Генрих

Из книги автора

Законы сохранения в СТО Как выводились законы сохранения и строились сохраняющиеся величины в дорелятивистской механике и электродинамике до появления СТО? Преобразованиями в уравнениях движения частиц, механических систем, уравнений поля выделялись специальные

Из книги автора

ИСТОРИЯ ПРИНЦИПОВ СОХРАНЕНИЯ Современный историк механики не случайно начинает свою общую характеристику развития механики в XVII в. со следующего положения: «От ожерелья, надетого на наклонную плоскость, до первой подлинно математической физики мировой системы, через

Из книги автора

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЗАКОНА ТЯГОТЕНИЯ Декарт писал 12 сентября 1638 г. Мерсенну: «Невозможно сказать что-либо хорошее и прочное касательно скорости, не разъяснив на деле, что такое тяжесть и вместе с тем вся система мира»{111}. Это заявление диаметрально противоположно заявлению