Закон сохранения и превращение энергии. Формулировка и определение закона сохранения и превращения энергии

02.03.2024

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.

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.

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 (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 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.

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.

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)

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 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.

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.

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

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».

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» .

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

Закон сохранения энергии утверждает, что энергия тела никогда не исчезает и не появляется вновь, она может лишь превращаться из одного вида в другой. Этот закон универсален. В различных разделах физики он имеет свою формулировку. Классическая механика рассматривает закон сохранения механической энергии.

Полная механическая энергия замкнутой системы физических тел, между которыми действуют консервативные силы, является величиной постоянной. Так формулируется закон сохранения энергии в механике Ньютона.

Замкнутой, или изолированной, принято считать физическую систему, на которую не действуют внешние силы. В ней не происходит обмена энергией с окружающим пространством, и собственная энергия, которой она обладает, остаётся неизменной, то есть сохраняется. В такой системе действуют только внутренние силы, и тела взаимодействуют друг с другом. В ней могут происходить лишь превращения потенциальной энергии в кинетическую и наоборот.

Простейший пример замкнутой системы – снайперская винтовка и пуля.

Виды механических сил

Силы, которые действуют внутри механической системы, принято разделять на консервативные и неконсервативные.

Консервативными считаются силы, работа которых не зависит от траектории движения тела, к которому они приложены, а определяется только начальным и конечным положением этого тела. Консервативные силы называют также потенциальными . Работа таких сил по замкнутому контуру равна нулю. Примеры консервативных сил – сила тяжести, сила упругости .

Все остальные силы называются неконсервативными . К ним относятся сила трения и сила сопротивления . Их называют также диссипативными силами. Эти силы при любых движениях в замкнутой механической системе совершают отрицательную работу, и при их действии полная механическая энергия системы убывает (диссипирует). Она переходит в другие, не механические виды энергии, например, в теплоту. Поэтому закон сохранения энергии в замкнутой механической системе может выполняться, только если неконсервативные силы в ней отсутствуют.

Полная энергия механической системы состоит из кинетической и потенциальной энергии и является их суммой. Эти виды энергий могут превращаться друг в друга.

Потенциальная энергия

Потенциальную энергию называют энергией взаимодействия физических тел или их частей между собой. Она определяется их взаимным расположением, то есть, расстоянием между ними, и равна работе, которую нужно совершить, чтобы переместить тело из точки отсчёта в другую точку в поле действия консервативных сил.

Потенциальную энергию имеет любое неподвижное физическое тело, поднятое на какую-то высоту, так как на него действует сила тяжести, являющаяся консервативной силой. Такой энергией обладает вода на краю водопада, санки на вершине горы.

Откуда же эта энергия появилась? Пока физическое тело поднимали на высоту, совершили работу и затратили энергию. Вот эта энергия и запаслась в поднятом теле. И теперь эта энергия готова для совершения работы.

Величина потенциальной энергии тела определяется высотой, на которой находится тело относительно какого-то начального уровня. За точку отсчёту мы можем принять любую выбранную нами точку.

Если рассматривать положение тела относительно Земли, то потенциальная энергия тела на поверхности Земли равна нулю. А на высоте h она вычисляется по формуле:

Е п = m ɡ h ,

где m – масса тела

ɡ - ускорение свободного падения

h – высота центра масс тела относительно Земли

ɡ = 9,8 м/с 2

При падении тела c высоты h 1 до высоты h 2 сила тяжести совершает работу. Эта работа равна изменению потенциальной энергии и имеет отрицательное значение, так как величина потенциальной энергии при падении тела уменьшается.

A = - ( E п2 – E п1) = - ∆ E п ,

где E п1 – потенциальная энергия тела на высоте h 1 ,

E п2 - потенциальная энергия тела на высоте h 2 .

Если же тело поднимают на какую-то высоту, то совершают работу против сил тяжести. В этом случае она имеет положительное значение. А величина потенциальной энергии тела увеличивается.

Потенциальной энергией обладает и упруго деформированное тело (сжатая или растянутая пружина). Её величина зависит от жёсткости пружины и от того, на какую длину её сжали или растянули, и определяется по формуле:

Е п = k·(∆x) 2 /2 ,

где k – коэффициент жёсткости,

∆x – удлинение или сжатие тела.

Потенциальная энергии пружины может совершать работу.

Кинетическая энергия

В переводе с греческого «кинема» означает «движение». Энергия, которой физическое тело получает вследствие своего движения, называется кинетической. Её величина зависит от скорости движения.

Катящийся по полю футбольный мяч, скатившиеся с горы и продолжающие двигаться санки, выпущенная из лука стрела – все они обладают кинетической энергией.

Если тело находится в состоянии покоя, его кинетическая энергия равна нулю. Как только на тело подействует сила или несколько сил, оно начнёт двигаться. А раз тело движется, то действующая на него сила совершает работу. Работа силы, под воздействием которой тело из состояния покоя перейдёт в движение и изменит свою скорость от нуля до ν , называется кинетической энергией тела массой m .

Если же в начальный момент времени тело уже находилось в движении, и его скорость имела значение ν 1 , а в конечный момент она равнялась ν 2 , то работа, совершённая силой или силами, действующими на тело, будет равна приращению кинетической энергии тела.

∆ E k = E k 2 - E k 1

Если направление силы совпадает с направлением движения, то совершается положительная работа, и кинетическая энергия тела возрастает. А если сила направлена в сторону, противоположную направлению движения, то совершается отрицательная работа, и тело отдаёт кинетическую энергию.

Закон сохранения механической энергии

Е k 1 + Е п1 = Е k 2 + Е п2

Любое физическое тело, находящееся на какой-то высоте, имеет потенциальную энергию. Но при падении оно эту энергию начинает терять. Куда же она девается? Оказывается, она никуда не исчезает, а превращается в кинетическую энергию этого же тела.

Предположим, на какой-то высоте неподвижно закреплён груз. Его потенциальная энергия в этой точке равна максимальному значению. Если мы отпустим его, он начнёт падать с определённой скоростью. Следовательно, начнёт приобретать кинетическую энергию. Но одновременно начнёт уменьшаться его потенциальная энергия. В точке падения кинетическая энергия тела достигнет максимума, а потенциальная уменьшится до нуля.

Потенциальная энергия мяча, брошенного с высоты, уменьшается, а кинетическая энергия возрастает. Санки, находящиеся в состоянии покоя на вершине горы, обладают потенциальной энергией. Их кинетическая энергия в этот момент равна нулю. Но когда они начнут катиться вниз, кинетическая энергия будет увеличиваться, а потенциальная уменьшаться на такую же величину. А сумма их значений останется неизменной. Потенциальная энергия яблока, висящего на дереве, при падении превращается в его кинетическую энергию.

Эти примеры наглядно подтверждают закон сохранения энергии, который говорит о том, что полная энергия механической системы является величиной постоянной . Величина полной энергии системы не меняется, а потенциальная энергия переходит в кинетическую и наоборот.

На какую величину уменьшится потенциальная энергия, на такую же увеличится кинетическая. Их сумма не изменится.

Для замкнутой системы физических тел справедливо равенство
E k1 + E п1 = E k2 + E п2 ,
где E k1 , E п1 - кинетическая и потенциальная энергии системы до какого-либо взаимодействия, E k2 , E п2 - соответствующие энергии после него.

Процесс преобразования кинетической энергии в потенциальную и наоборот можно увидеть, наблюдая за раскачивающимся маятником.

Нажать на картинку

Находясь в крайне правом положении, маятник словно замирает. В этот момент его высота над точкой отсчёта максимальна. Следовательно, максимальна и потенциальная энергия. А кинетическая равна нулю, так как он не движется. Но в следующее мгновение маятник начинает движение вниз. Возрастает его скорость, а, значит, увеличивается кинетическая энергия. Но уменьшается высота, уменьшается и потенциальная энергия. В нижней точке она станет равной нулю, а кинетическая энергия достигнет максимального значения. Маятник пролетит эту точку и начнёт подниматься вверх налево. Начнёт увеличиваться его потенциальная энергия, а кинетическая будет уменьшаться. И т.д.

Для демонстрации превращений энергии Исаак Ньютон придумал механическую систему, которую называют колыбелью Ньютона или шарами Ньютона .

Нажать на картинку

Если отклонить в сторону, а затем отпустить первый шар, то его энергия и импульс передадутся последнему через три промежуточных шара, которые останутся неподвижными. А последний шар отклонится с такой же скоростью и поднимется на такую же высоту, что и первый. Затем последний шар передаст свою энергию и импульс через промежуточные шары первому и т. д.

Шар, отведенный в сторону, обладает максимальной потенциальной энергией. Его кинетическая энергия в этот момент нулевая. Начав движение, он теряет потенциальную энергию и приобретает кинетическую, которая в момент столкновения со вторым шаром достигает максимума, а потенциальная становится равной нулю. Далее кинетическая энергия передаётся второму, затем третьему, четвёртому и пятому шарам. Последний, получив кинетическую энергию, начинает двигаться и поднимается на такую же высоту, на которой находился первый шар в начале движения. Его кинетическая энергия в этот момент равна нулю, а потенциальная равна максимальному значению. Далее он начинает падать и точно так же передаёт энергию шарам в обратной последовательности.

Так продолжается довольно долго и могло бы продолжаться до бесконечности, если бы не существовало неконсервативных сил. Но в реальности в системе действуют диссипативные силы, под действием которых шары теряют свою энергию. Постепенно уменьшается их скорость и амплитуда. И, в конце концов, они останавливаются. Это подтверждает, что закон сохранения энергии выполняется только в отсутствии неконсервативных сил.

Изучая свойства газов, поставил опыт. До этого уже было известно, что сжатый газ, расширяясь, охлаждается. Ученый предположил, что это может происходить потому, что теплоемкость газа зависит от его объема. Он решил проверить это. Гей-Люссак заставил газ расширяться из сосуда в пустоту, т.е. другой сосуд, из которого был предварительно откачан воздух.К удивлению всех ученых, наблюдавших за опытом, никакого понижения температуры не произошло, температура всего газа не изменилась. Полученный результат не оправдал предположения ученого, и он не понял смысла опыта. Гей-Люссак сделал крупное открытие и не смог его заметить.

Очень важную роль в развитии учения о превратимости сил природы сыграли исследования русского ученого Эмиля Христиановича Ленца, примыкающие в этом отношении к исследованиям Фарадея. Его замечательные работы по электричеству имеют явную энергетическую направленность и существенным образом содействовали укреплению закона. Поэтому с полным правом Ленц занимает одно из первых мест в плеяде творцов и укрепителей закона сохранения энергии.

Первым точно сформулировал этот великий закон естествознания немецкий врач Роберт Майер .

Роберт Юлий Майер (1814-1878) родился в Гейльбронне в семье аптекаря. По окончании средней школы Майер поступил в Тюбингенский университет на медицинский факультет. Здесь он не слушал математических и физических курсов, но зато основательно изучил химию у Гмелина. Закончить университет в Тюбингене без перерыва ему не удалось. За участие в запрещенной сходке он был арестован. В тюрьме Майер объявил голодовку и на шестой день после ареста был освобожден под домашний арест. Из Тюбингена Майер уехал в Мюнхен, затем в Вену. Наконец, в январе 1838 года ему разрешили вернуться на родину. Здесь он сдал экзамены и защитил диссертацию.Вскоре Майер принял решение поступить на голландский корабль, отправляющийся в Индонезию, в качестве судового врача. Это путешествие сыграло важную роль в его открытии. Работая в тропиках, он заметил, что цвет венозной крови у жителей жаркого климата более яркий и алый, чем темный цвет крови у жителей холодной Европы. Майер правильно объяснил яркость крови у жителей тропиков: вследствие высокой температуры организму приходится вырабатывать меньше теплоты. Ведь в жарком климате люди никогда не мерзнут. Поэтому в жарких странах артериальная кровь меньше окисляется и остается почти такой же алой, когда переходит в вены.

У Майера возникло предположение: не изменится ли количество теплоты, выделяемое организмом, при окислении одного и того же количества пищи, если организм, помимо выделения теплоты, будет еще производить работу? Если количество теплоты не изменяется, то из одного и того же количества пищи можно получить то больше, то меньше тепла, так как работу можно превратить в тепло, например, путем трения. Если количество теплоты изменяется, то работа и теплота обязаны своим происхождением одному и тому же источнику - окисленной в организме пище. Ведь работа и теплота могут превращаться одна в другую. Эта идея сразу дала возможность Майеру сделать ясным и загадочный опыт Гей-Люссака.Если теплота и работа взаимно превращаются, то при расширении газов в пустоту, когда он не производит никакой работы, так как нет никакой силы давления, противодействующей увеличению его объема, газ и не должен охлаждаться. Если же при расширении газа ему приходится производить работу против внешнего давления, то его температура должна понижаться. Но если теплота и работа могут превращаться друг в друга, если эти физические величины сходные, то возникает вопрос о соотношении между ними. Майер попытался узнать: сколько требуется работы для выделения определенного количества теплоты и наоборот? К тому времени было известно, что для нагревания газа при постоянном давлении, когда газ расширяется, нужно больше тепла, чем для нагревания газа в замкнутом сосуде. То есть что теплоемкость газа при постоянном давлении больше, чем при постоянном объеме. Эти величины были уже хорошо известны. Но установлено, что обе они зависят от природы газа: разность между ними почти одинакова для всех газов.Майер понял, что эта разность в теплоте обусловлена тем, что газ, расширяясь, совершает работу. Работу одного моля расширяющегося газа при нагревании на один градус определить нетрудно. Любой газ при малой плотности можно считать идеальным - его уравнение состояния было известно. Если нагреть газ на один градус, то при постоянном давлении его объем возрастет на некую величину.Таким образом, Майер нашел, что для любого газа разность теплоемкости газа при постоянном давлении и теплоемкости газа при постоянном объеме есть величина, называемая газовая постоянная. Она зависит от молярной массы и температуры. Теперь это уравнение носит его имя.Одновременно с Майером и независимо от него закон сохранения и превращения энергии разрабатывался Джоулем и Гельмгольцем.Механический подход Гельмгольца, который он сам был вынужден признать узким, дал возможность установить абсолютную меру для «живой силы» и рассматривать всевозможные формы энергии либо в виде кинетической («живых сил»), либо потенциальной («сил напряжения»).

Количество превращенной формы движения можно измерить величиной той механической работы, например, по поднятию груза, которую можно было бы получить, если целиком все исчезнувшее движение затратить на это поднятие. Экспериментальное обоснование принципа и заключается, прежде всего, в доказательстве количественной определенности этой работы. Этой задаче и были посвящены классические опыты Джоуля.

Джемс Прескот Джоуль (1818-1889) - манчестерский пивовар - начал с изобретения электромагнитных аппаратов. Эти приборы и явления, с ними связанные, стали конкретным ярким проявлением превратимости физических сил. В первую очередь Джоуль исследовал законы выделения тепла электрическим током. Так как опыты с гальваническими источниками (1841) не давали возможности установить, является ли теплота, развиваемая током в проводнике, только перенесенной теплотой химических реакций в батарее, то Джоуль решил поставить эксперимент с индукционным током.

Он поместил в замкнутый сосуд с водой катушку с железным сердечником, концы обмотки катушки присоединялись к чувствительному гальванометру. Катушка приводилась во вращение между полюсами сильного электромагнита, по обмотке которого пропускался ток от батареи. Число оборотов катушки достигало 600 в минуту, при этом попеременно четверть часа обмотка электромагнита была замкнута, четверть разомкнута. Тепло, которое выделялось вследствие трения, во втором случае вычиталось из тепла, выделяемого в первом случае. Джоуль установил, что количество тепла, выделяемое индукционными токами, пропорционально квадрату силы тока. Так как в данном случае токи возникали вследствие механического движения, то Джоуль пришел к выводу, что тепло можно создавать с помощью механических сил.

Далее Джоуль, заменив вращение рукой вращением, производимым падающим грузом, установил, что «количество теплоты, которое в состоянии нагреть 1 фунт воды на 1 градус, равно и может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в 1 фут». Эти результаты и были им сведены в работе «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла», доложенной на физико-математической секции Британской ассоциации 21 августа 1843 года.

Наконец, в работах 1847-1850 годов Джоуль разрабатывает свой главный метод, вошедший в учебники физики. Он дает наиболее совершенное определение механического эквивалента тепла. Металлический калориметр устанавливался на деревянной скамейке. Внутри калориметра проходит ось, несущая лопасти или крылья. Крылья эти расположены в вертикальных плоскостях, образующих угол 45 градусов друг с другом (восемь рядов). К боковым стенкам в радиальном направлении прикреплены четыре ряда пластинок, не препятствующие вращению лопастей, но препятствующие движению всей массы воды. В целях тепловой изоляции металлическая ось разделена на две части деревянным цилиндром. На внешнем конце оси имеется деревянный цилиндр, на который наматываются две веревки в одинаковом направлении, покидающие поверхность цилиндра в противоположных точках. Концы веревок прикреплены к неподвижным блокам, оси которых лежат на легких колесиках. На оси намотаны веревки, несущие грузы. Высота падения грузов отсчитывается по рейкам.

Далее Джоуль определял эквивалент, измеряя теплоту, выделяемую при трении чугуна о чугун. На оси в калориметре вращалась чугунная пластинка. Вдоль оси свободно скользят кольца, несущие рамку, трубку и диск, по форме пригнанный к чугунной пластинке. С помощью стержня и рычага можно произвести давление и прижать диск к пластинке. Последние измерения механического эквивалента Джоуль производил уже в 1878 году.

Расчеты Майера и опыты Джоуля завершили двухсотлетний спор о природе теплоты. Доказанный на опыте принцип эквивалентности между теплотой и работой можно сформулировать следующим образом: во всех случаях, когда из теплоты появляется работа, тратится количество тепла, равное полученной работе, и наоборот, при затрате работы получается то же количество тепла. Этот вывод был назван Первым законом термодинамики.

Согласно этому закону, работу можно превратить в тепло и наоборот - теплоту в работу. Причем обе эти величины равны друг другу. Вывод этот справедлив для термодинамического цикла, в котором система должна быть приведена к исходным условиям. Таким образом, для любого кругового процесса совершенная системой работа равна полученной системой теплоте.

Открытие Первого закона термодинамики доказало невозможность изобретения вечного двигателя. Закон сохранения энергии поначалу так и называли - «вечный двигатель невозможен».

Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно и установление механического эквивалента теплоты сыграли основную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии. Однако это открытие было подготовлено всем ходом развития физики в первой половине XIX в. Все большее и большее место в физических исследованиях занимали исследования явлений, в которых имело место превращение различных форм движения друг в друга. Исследования химических, тепловых, световых действий электрического тока, изучение его пондермоторного действия, изучение процессов превращения теплоты в работу и т. д. - все Это способствовало возникновению и развитию идеи о взаимопревращаемости «сил» природы друг в друга.

Эта идея вызревала и начинала вступать в конфликт со взглядами, основанными на концепции «невесомых». Эту идею все чаще высказывают различные ученые и нужен был один шаг, чтобы эта идея оформилась в физический закон. Этот шаг был сделан многими учеными. Интересно отметить, что ряд из них не были специалистами физиками в момент открытия закона сохранения и превращения энергии. Основную роль в установлении закона сохранения и превращения энергии сыграли: немецкий врач Майер, немецкий ученый Гельмгольц (бывший в то время врачом и физиологом и лишь затем ставший физиком) и, наконец, англичанин Джоуль, занимавшийся физическими исследованиями.

Роберт Майер

Роберт Майер (1814-1878) занимался медициной и физиологией. В 1840 г. он обнаружил, что кровь, взятая из вены у людей, живущих в тропиках, имеет более яркий цвет, нежели у людей, живущих в Европе. Исследуя это явление, Майер решил, что причиной этого служит различие в разности температур человеческого тела и окружающей среды. Размышляя над этим вопросом, он и пришел в конце концов к общей идее о неразрушимости «сил природы» и о способности их превращаться друг в друга. Свои взгляды и выводы Майер впервые изложил в работе «О количественном и качественном определении сил». Здесь под словом «сила» Майер понимает то, что в дальнейшем стали называть энергией. Этот термин он сохраняет и в последующих своих работах. Силы, по Майеру,- причины, изменяющие взаимное отношение между веществами тел. Из законов логики и принципа причинности, по Майеру, следует, что силы - неуничтожимые объекты, но изменяющиеся по своим качествам. Наука, «изучающая вид бытия сил (физика), должна считать количество своих объектов неизменными и только качество их изменяющимся» 1 , - полагает Майер. Далее он пишет:

«...движение, теплота и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество, представляют собой явления, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам» 2

Высказав эти общие положения, Майер, однако, при конкретном рассмотрении их сделал ряд ошибочных и путаных допущений. Так, например, за меру механического движения он принимал не кинетическую энергию, а количество движения. Указанную работу Майер предполагал напечатать в физическом журнале «Annalen der physik». Однако редактор журнала Поггендорф отказался ее опубликовать. Статья носила общий полуфилософский характер и не содержала каких-либо конкретных экспериментальных или теоретических результатов.

В том же 1841 г. Майер написал новую работу по тому же вопросу и, учитывая свой неудачный опыт, послал ее в химико-фармацевтический журнал «Annalen der Chemie und Pharmacie», где она и была напечатана в 1842 г. под названием «Замечания о силах неживой природы». В этой статье, также в основном носящей общий характер, Майер уже более обстоятельно развил свои идеи и не допускал ошибочных положений, которые содержались в первой статье. Новым важным моментом было то, что, говоря о превращении механической энергии в теплоту, Майер впервые устанавливает существование механического эквивалента теплоты. Он писал:

«...Необходимо ответить на вопрос, как велико соответствующее определенному количеству силы падения или движения количество тепла. Например, мы должны были определить, как высоко должен быть поднят определенный груз над поверхностью земли, чтобы его сила падения была эквивалентна нагреванию равного ему по весу количества воды с 0 до 1°» 3 .

Майер сообщает далее, что он проделал соответствующий расчет, используя известные уже тогда значения теплоемкости воздуха при постоянном давлении c p и теплоемкости при постоянном объеме c v , и нашел механический эквивалент теплоты, который, по его расчетам, оказался равным 365 кГм/ккал.

В 1845 г. Майер опубликовал книгу «Органическое движение в его связи с обменом веществ», где более подробно изложил учение о сохранении и превращении энергии («силы», по его терминологии). Более подробно основные положения Майера заключаются в следующем. В природе, полагал он, имеются два рода причин: одним присуще свойство весомости и непроницаемости - это материя, другая группа причин - это силы. Материя и силы неразрушимы. Это следует из принципа, что причина всегда равна действию, которое, в свою очередь, является причиной для последующего действия. Одновременно причины способны принимать различные формы. «Причины есть (количественно) неразрушимые и (качественно) способные к превращениям объекты». В связи с этим и силы - неразрушимые, способные к превращениям объекты. В природе существуют несколько качественно различных «сил». Во-первых, движение: «Движение есть сила». Эта сила измеряется величиной живой силы. При соударении упругих тел общая сумма «живых сил» остается постоянной. Другой силой является «сила падения». Под этой силой Майер подразумевает потенциальную энергию поднятого тела. Она измеряется произведением веса на высоту. При падении «сила падения» и «сила движения» взаимно превращаются друг в друга. Общая же их сумма остается постоянной. Тепло также является «силой». Она может быть превращена в механическое движение, и наоборот. Превращение механического эффекта (общее название, по Майеру, для кинетической и потенциальной энергии) в теплоту и наоборот происходит всегда в строго эквивалентных количествах. В работе «Органическое движение и обмен веществ» Майер приводит более точное значение механического эквивалента теплоты (чем в статье 1842 г.), найденное опять-таки исходя из различия между теплоемкостью воздуха при постоянном объеме и постоянном давлении. По его расчетам, механический эквивалент равен 425 кГм/ккал.

Формой проявления физической силы является также электричество. В случае трения механическая энергия может превращаться в электричество. Майер приводит пример с электрофором, справедливо отмечая, что при удалении верхней пластинки приходится затрачивать механическую работу против электрической силы помимо работы против силы тяжести.

Кроме перечисленных сил существует еще «химическая сила». Этой силой, по Майеру, обладают химические вещества, способные соединяться, будучи разобщенными: химически раздельное существование, или химическая разность веществ, есть «сила». Майер рассматривает примеры взаимопревращаемости «сил»: механического движения в теплоту и электричество, электричества - в теплоту и «механический эффект», теплоты - в электричество и т. д. Майер понимал, что его теория не только является новой, но и противоречит существующим взглядам. Поэтому он специально высказывается против представления о невесомых. Он пишет:

«Выскажем великую истину: не существует никаких нематериальных материй. Мы прекрасно сознаем, что мы ведем борьбу с укоренившимися и канонизированными крупнейшими авторитетами гипотезами, что мы хотим вместе с невесомыми жидкостями изгнать из учения о природе все, что осталось от богов Греции; однако мы знаем также, что природа в ее простой истине является более великой и прекрасной, чем любое создание человеческих рук, чем все иллюзии сотворенного духа» 4 .

Первые работы Майера не обратили на себя внимания физиков. Напечатаны они были не в физических журналах, в значительной степени носили общий характер, не говоря уже о том, что они находились в противоречии с господствующей теорией теплорода и вообще с представлениями о невесомых.

В 1843 г. независимо от Майера к открытию эквивалентности теплоты и работы, а затем и к закону сохранения и превращения энергии пришел англичанин Джемс Прескотт Джоуль (1818- 1889). Начиная с 1841 г. Джоуль занимался исследованием выделения теплоты электрическим -током. В это время, в частности, он открыл закон, независимо от него установленный также Ленцем (закон Джоуля-Ленца). Исследуя затем общее количество теплоты, выделяемой во всей цепи, включая и гальванический элемент, за определенное время, он определил, что это количество теплоты равно теплоте химических реакций, протекающих в элементе за то же время. У него, Джоуля, складывается мнение, что источником теплоты, выделенной в цепи электрического тока, являются химические процессы, проходящие в гальваническом элементе, а электрический ток как бы разносит эту теплоту по всей цепи. Он писал, что «электричество может рассматриваться как важный агент, который переносит, упорядочивает и изменяет химическое тепло» 5 . Но источником электрического тока может служить также и «Электромагнитная машина». Как в этом случае нужно рассматривать теплоту, выделяемую электрическим током? Джоуль задается также вопросом: что будет, если в цепь с гальваническим элементом включить магнитоэлектрическую машину (т. е. электродвигатель), как повлияет это на количество теплоты, выделяемой током в цепи?

Джемс Прескотт Джоуль

Продолжая исследования в этом направлении, Джоуль и пришел к новым важным результатам, которые изложил в работе.«Тепловой эффект магнитоэлектричества и механическая ценность теплоты», опубликованной в 1843 г. Прежде всего Джоуль исследовал вопрос о количестве теплоты, выделяемой индукционным током. Для этого он поместил проволочную катушку с железным сердечником в трубку, которая была наполнена водой, и вращал ее в магнитном поле, образованном полюсами магнита (рис. 63). Измеряя величину индукционного тока гальванометром, соединенным с концами проволочной катушки при помощи ртутного коммутатора, и одновременно определяя количество теплоты, выделенной током в трубке, Джоуль пришел к заключению, что индукционный ток, как и гальванический, выделяет теплоту, количество которой пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению.

Рис. 63. Установка Джоуля (магнит на чертеже не указан)

Рис. 64. Установка Джоуля для определения механического эквивалента теплоты

Затем Джоуль включил проволочную катушку, помещенную в трубку с водой, в гальваническую цепь. Вращая ее в противоположных направлениях, он измерял силу тока в цепи и выделенную при этом теплоту за определенный промежуток времени, так что катушка играла один раз роль электродвигателя, а другой раз - генератора электрического тока. Сравнивая затем количество выделенной теплоты с теплотой химических реакций, протекающих в гальваническом элементе, Джоуль пришел к заключению, что «теплота, обусловленная химическим действием, подвержена увеличению или уменьшению» и что «мы имеем, следовательно, в магнитоэлектричестве агента, способного обычным механическим средством уничтожать или возбуждать теплоту» 6 .

Наконец, Джоуль заставлял вращаться эту трубку в магнитном поле уже под действием падающих грузов Измеряя количество теплоты, выделившееся в воде, и совершённую при опускании грузов работу, он подсчитал механический эквивалент теплоты, который оказался равным 460 кГм/ккал.

В том же году Джоуль сообщил об опыте, в котором механическая работа непосредственно превращалась в теплоту. Он измерил теплоту, выделяемую при продавливании воды через узкие трубки* При этом он получил, что механический эквивалент теплоты равен 423 кГм/ккал.

В дальнейшем Джоуль вновь возвращался к экспериментальному определению механического эквивалента теплоты. В 1849 г. он проделал известный опыт по измерению механического эквивалента теплоты. С помощью падающих грузов он заставлял ось с лопастями вращаться внутри калориметра, наполненного жидкостью (рис. 64). Измеряя совершенную грузами работу и выделенную в калориметре теплоту, Джоуль получил механический эквивалент теплоты, равный 424 кГм/ккал.

Открытие механического эквивалента теплоты привело Джоуля к открытию закона сохранения и превращения энергии. В лекции, прочитанной им в 1847 г. в Манчестере, он говорил:

«Вы видите, следовательно, что живаи сила может быть превращена в теплоту и что теплота может превращаться в живую силу, или в притяжение на расстоянии. Все трое, следовательно, - именно, теплота, живая сила и притяжение на расстоянии (к которым я могу причислить свет...) - взаимно превращаемы друг в друга. Причем при этих превращениях ничего не теряется» 7 .

Герман Гельмгольц (1821-1894) -врач и физиолог по образованию, сразу после-окончания Медико-хирургического института занимался исследованиями в области физиологии, в частности, связанными с вопросом преобразования различных форм энергии в живом организме. Эти исследования привели к вопросу: «какие отношения должны существовать между различными силами природы, если принять, что perpetuum mobile вообще невозможен?» 8 . Работая над этой проблемой, Гельмгольц также пришел к открытию закона сохранения и превращения энергии. Он написал работу, которую Поггендорф также отказался напечатать в свом журнале; она была опубликована отдельной книгой в 1847 г.

Гельмгольц исходит из хорошо всем известного закона сохранения «живых сил», который, безусловно, действителен для центральных сил. Он пишет:

«Когда тела природы действуют друг на друга притягательными и отталкивательными силами, не зависящими от времени и скорости, то сумма их живых сил и сил напряжения остается постоянной, так что максимум полученной работы будет, следовательно, величиной определенной и конечной» 9 . (Здесь под «силой напряжения» (Spannkraft) Гельмгольц понимал потенциальную энергию.)

Однако закон сохранения живых сил действует только в механике, да и то лишь для случая консервативных сил (Гельмгольц ограничивал первоначально его действие центральными силами).

Герман Гельмгольц

Для того чтобы перейти теперь к общему закону сохранения «сил» (так Гельмгольц, подобно Майеру, называет энергию), он полагает, что все явления природы в конечном итоге сводятся к движению и расположению материальных тел, между которыми действуют центральные силы.

Пока что в подобных рассуждениях Гельмгольца по существу нового ничего нет. Так многие думали и до него и в его время. И если бы он ограничился этими рассуждениями, то его заслуга в открытии закона сохранения и превращения энергии свелась бы к нулю. Главное, что он исследовал, как, по его мнению, закон сохранения «живых сил» проявляется во всех физических явлениях: в механике, теплофизике, электродинамике и т. д. Он фактически изучил вопрос о превращении разных видов энергии в физических процессах, хотя рассматривал эти формы как проявление «живой силы» или «силы напряжения».

Гельмгольц исследовал сначала процессы превращения энергии в рамках механики, т. е. процессы превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно. Затем он рассматривает процессы превращения механического движения в теплоту, ссылаясь при этом на открытие Джоулем механического эквивалента теплоты. После этого Гельмгольц переходит к электрическим явлениям. Он определил, что энергия заряженного конденсатора равна 1/2 q 2 /c, где q - заряд, с - емкость конденсатора. При разряде эта энергия превращается в теплоту, которая выделяется в проводнике, замыкающем пластинки конденсатора.

Гельмгольц также исследует энергетические процессы в гальванической цепи; рассматривает работу электрического тока и выделяемую в цепи теплоту (используя закон Джоуля - Ленца), а также случай, когда в цепь включен термоэлемент.

Рассматривая электромагнитые явления, используя при этом закон сохранения энергии, Гельмгольц получил выражение закона электромагнитной индукции. Он рассматривал замкнутый контур с током и движущийся под действием этого тока магнит. За малый промежуток времени dt в системе происходят следующие изменения. Во-первых, батарея, поддерживающая в цепи ток I, производит работу, равную εldt , где ε -электродвижущая сила батареи. Во-вторых, в цепи за этот промежуток времени выделяется количество теплоты, равное I 2 Rdt , где R - сопротивление цепи. И, наконец, изменяется взаимное расположение магнита и контура с током, что приводит, как полагал Гельмгольц, к изменению «живой силы» магнита. Изменение этой «живой силы» должно быть равно IdV , где V - потенциальная функция, введенная Нейманом. Согласно закону сохранения «силы», должно выполняться равенство

Отсюда следует, что в цепи возбуждается электродвижущая сила индукции, равная -dV/dt. Если учесть, что величина V равна потоку магнитной индукции через контур, то, как мы видим, получен закон электромагнитной индукции 10 .

В конце работы Гельмгольц останавливается на вопросе о применимости принципа сохранения «силы» к органическим процессам и решает его положительно. В заключение он пишет:

«Я думаю, что приведенные данные доказывают, что высказанный закон не противоречит ни одному из известных в естествознании фактов и поразительным образом подтверждается большим числом их... полное подтверждение (закона - Б. С.)... должно быть рассматриваемо как одна из главных задач ближайшего будущего физики» 11

Работа Гельмгольца была встречена более чем прохладно. Сам Гельмгольц в своих воспоминаниях писал:

«Я был... до некоторой степени удивлен тем сопротивлением, которое я встретил в кругу специалистов; мне было отказано в приеме работы в Poggendorf’s Annalen и среди членов берлинской академии был только математик К. Г. И. Якоби, принявший мою сторону» 12

Однако, несмотря на холодный прием, который встретили первоначально работы Майера, Гельмгольца и Джоуля, их общая идея получала все большее и большее распространение и применение в практике физических исследований. Мысль о том, что открыт новый очень важный физический закон и даже больше - общий естественнонаучный закон, постепенно овладевает умами ученых. В развитии основных положений Майера, Джоуля и Гельмгольца важную роль сыграли работы английских ученых В. Томсона, У. Дж. Ранкина и немецкого физика Р. Клаузиуса.

Прежде всего открытие закона сохранения и превращения энергии сыграло решающую роль в последующих исследованиях процессов превращения теплоты в работу, которые привели к созданию основ термодинамики. Закон сохранения и превращения энергии получает применение и в других областях физики, например в исследованиях по электродинамике.

В. Томсон уже в 1848 г., опираясь на работы Джоуля, применяет закон сохранения и превращения энергии к явлению электромагнитной индукции. Он показал (независимо от Гельмгольца), что «общая работа, потраченная на произведение движения, вызывающего электромагнитную индукцию, должна быть эквивалентна механическому эффекту, потерянному током» 13 .

Позже Томсон, используя закон сохранения и превращения энергии, снова исследовал явление электромагнитной индукции, а затем и явление самоиндукции, установив при этом, что энергия проводника с током может быть выражена формулой Li 2 12 2, где L - величина, зависящая только от геометрии проводника (названная позже коэффициентом самоиндукции). Исследуя вопрос об энергии магнитов и токов, Томсон в 1853 г. выразил эту энергию в виде интеграла, взятого по объему.

В 1852 г. Клаузиус применил закон сохранения и превращения энергии к электрическим явлениям. В работе «О механическом эквиваленте электрического разряда и происходящем при этом нагревании проводников» Клаузиус писал:

«...подобно тому как посредством теплоты может быть произведена механическая работа, электрический ток способен вызывать частично механическое действие, частично теплоту» 14 .

В том же году Клаузиус применил закон сохранения энергии к энергетическим процессам в цепи постоянного тока, а в следующем году - к термоэлектрическим явлениям.

Помимо Томсона и Клаузиуса над развитием и применением закона сохранения и превращения энергии работал Ранкин. Он первым начал широко пользовать термин «энергия» и попытался дать понятию энергии общее определение. Под энергией Ранкин понимает способность производить работу. Определяя понятие энергии, он писал в 1855 г.: «Термин «энергия» предполагает любое состояние субстанции, которое заключается в способности производить работу»; «количество энергии измеряется количеством работы» 15 , которую она способна произвести. Еще раньше, в 1853 г., Ранкин разделил энергию на «Актуальную» и «Потенциальную». Он писал:

«Актуальная, или Ощутимая (sensible), Энергия - это измеримое, переносимое и превратимое состояние, побуждающее субстанцию изменять свое состояние... Когда такое измеиение происходит, то актуальная энергия исчезает и заменяется Потенциальной, или Скрытой (Latent), Энергией, которая измеряется величиной изменения состояния, сопротивлением против которого это изменение совершается» 16 .

К «Актуальной» энергии Ранкин относит «живую силу», теплоту, лучистую теплоту, свет, химическое действие и электрический ток, которые являются ее различными формами; к потенциальной энергии - «механическую силу гравитации», упругость, химическое сродство, энергию статического электричества и магнетизма.

Томсон, который сначала пользовался введенным Ранкином термином «актуальная энергия», впоследствии заменил его на «кинетическую энергию».

Уже в 50-х годах закон сохранения и превращения энергии был признан как общий закон природы, охватывающий все физические явления. Теперь начинаются спора о приоритете его открытия. Все началось с небольшой полемики между Майером и Джоулем на страницах французского журнала «Comptes rendus» еще в 1847- 1849 гг. о приоритете в открытии механического эквивалента теплоты. В 1849 г. довольно распространенная в Германии газета специально выступила против Майера, охарактеризовав его как дилетанта, и предостерегла публику от «мнимого открытия г-на доктора Майера», указывая, что якобы несостоятельность его рассуждений уже доказана авторитетными научными кругами. В 1851 г. Майер в статье «О механическом эквиваленте теплоты», излагая историю открытия, писал:

«Новая теория начала вскоре привлекать к себе внимание ученых. Но так как ее стали рассматривать и у нас в Германии и за границей как исключительно иностранное открытие, то это побудило меня выставить свои права на приоритет» 17 .

В 1851 г. Гельмгольц впервые упоминает работы Майера, а в 1852 г. подтверждает приоритет последнего в открытии закона сохранения и превращения энергии.

«Утверждение о неразрушимости работы механических сил и эквивалентности различных естественных сил с определенной величиной механической работы,- писал Гельмгольц,- впервые высказал Майер» 18 .

«Темой для своего доклада он избрал сочинения Майера и в обычной для него увлекательной форме изложил все основные выводы работ Майера. Когда публика, в сильнейшей степени заинтересовавшаяся данным вопросом, естественно, пожелала узнать, кому принадлежат все эти исследования, Тиндаль назвал имя человека, который, живя в маленьком немецком городке, без всякой научной поддержки и поощрения с удивительной энергией и настойчивостью работал над развитием своих гениальных мыслей» 20 .

Против признания приоритета Майера резко выступил английский физик Тэт в журнале «Good Words». Возражая Тиндалю, он отказался признать какие бы то ни было заслуги Майера. Между Тэтом и Тиндалем развернулась полемика. На ее откликнулись Гельмгольц и Клаузиус. Если Гельмгольц весьма осторожно защищал Майера, то Клаузиус резко возражал Тэту по поводу одной из его статей. Он писал, что эта статья может только повредить

«Вашей собственной столь высокой научной репутации. Любой читатель с первого взгляда увидит, что это не нелицеприятное ирторическое изложение вопроса, чего бы следовал о ожидать от ученого вашего ранга, а проникнутая партийностью статья, написанная только для прославления некоторых немногих лиц» 21 .

В дальнейшем Тэт продолжал выступать против приоритета Майера. В 1876 г. он писал:

«...уже пришло время поставить Майера... на соответствующее ему место... Создан и экспериментально доказан был закон сохранения энергии в его общем виде бесспорно Кольдингом в Копенгагене и Джоулем в Манчестере» 22 .

В Германии, хотя на сторону Майера встал Клаузиус и в какой-то степени Гельмгольц, Майер продолжал подвергаться нападкам, которые иногда принимали форму сплетен. В 1858 г. распространяются слухи о его мнимой смерти. Поггендорф в своем большом биографическом словаре (1863) в заключение более чем скромной статьи о Майере писал: «...кажется, около 1858 г. умер в доме умалишенных». Правда в конце книги он поместил дополнительную «справку» о Майере: «Не умер..., но еще жив» 23 .

Наконец, в защиту приоритета Майера выступил Е. Дюринг 24 , который одновременно принижал роль Джоуля и Гельмгольца в открытии закона сохранения и превращения энергии, что также не способствовало укреплению приоритета Майера.

Борьба вокруг приоритета Майера была связана с борьбой вокруг понимания существа самого закона сохранения и превращения энергии. Майер подходил к пониманию этого закона с более широких философских позиций, чем многие из его современников и особенно ученые, подобные Тэту, придерживавшиеся узко эмпирических представлений о познании. Майер был несомненно революционером в науке, стоял в ряде вопросов на стихийно диалектических позициях, непонятных для многих его современников, которые не могли отойти от метафизического мировоззрения.

Впервые правильно оценил заслуги Майера Энгельс. Отдавая дань Гельмгольцу, Энгельс тем не менее указывал:

«...Уже в 1842 г. Майер утверждал «неуничтожимость силы», а в 1845 г. он, исходя из своей новой точки зрения, сумел сообщить гораздо более гениальные вещи об «отношениях между различными процессами природы», чем Гельмгольц в 1847 г.» 25 .

В другом месте Энгельс отметил:

«...количественное постоянство движения было высказано уже Декартом и почти в тех же выражениях, что и теперь (Клаузиусом, Робертом Майером?). Зато превращение формы движения открыто только в 1842 г., и это, а ие закон количественного постоянства, есть новое» 26 .

Именно Майер впервые подчеркивал существование качественных превращений различных форм энергии друг в друга, а не просто утверждал ее количественное постоянство. Это и было наиболее важным, с точки зрения общего мировоззрения, в установленном законе сохранения и превращения энергии, и как раз это обстоятельство ускользало от внимания многих ученых того времени, которые пытались просто подвести новый закон под общее механическое мировоззрение, толкуя его, подобно Гельмгольцу, как выражение закона сохранения живых сил.

Установление закона сохранения и превращения энергии было революционным шагом в развитии физической науки и науки вообще. Этот закон связывал воедино все физические явления, ликвидируя метафизические перегородки между отдельными областями физики, закрепленные учением о «невесомых», которому теперь пришел конец. «Невесомые» материи были окончательно изгнаны из физики. Энгельс писал:

«...физические силы - эти, так сказать, неизменные «виды» физики - превратились в различным образом дифференцированные и переходящие по определенным законам друг в друга формы движения материи. Из науки была устранена случайность наличия такого-то и такого-то количества физических сил, ибо были доказаны их взаимная связь и переходы друг в друга» 27 .

Энгельс придавал большое значение установлению закона сохранения и превращения энергии для правильного диалектико-материалистического воззрения на мир, ставя его в один ряд с открытием клетки и теорией Дарвина:

«Благодаря этим трем великим открытиям и прочим громадным успехам естествознания, - писал он. - мы можем теперь в общем и целом обнаружить не только ту связь, которая существует между процессами природы в отдельных ее областях, но также и ту, которая имеется между этими отдельными областями. Таким образом, с помощью фактов, доставленных самим эмпирическим естествознанием, можно в довольно систематической форме дать общую картину приводы как связного целого» 28 .

1 Майер Р. Закон сохранения и превращения энергии. М. - Л., ГТТИ, 1933, с. 62.
2 Майер Р. Закон сохранения и превращения энергии, с. 68-69.
3 Там же, с. 85-86.
4 Майер Р. Закон сохранения и превращения энергии, с. 130.
5 Goule G. Fhe scientific papers. Vol. 1, London, 1884, p. 120.
6 Joule J. The scientific papers Vol. 1, p. 146.
7 Там жe, p. 270-271.
8 Гельмгольц Г. О сохранении силы. М., ГТТИ, 1922, с. 69-70.
9 Не1mhо11z Н. Wissenschaftiche Abhandlungen. В. I. Leipzig, 1882. SS. 26-27.
10 Этот вывод Гельмгольца нельзя считать корректным. На это обратил внимание Максвелл (см.: Максвелл Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М., Гостехиздат, 1952, с. 403-405).
11 Гельмгольц Г. О сохранении силы. М. - Л., ГТТИ, 1934, с, 115.
12 Там же, с. 124.
13 Thomson W. Mathematical and Physical papers. Vol. 1, Cambridge, 1882,. p. 91.
14 Clausius R. Ann. Phys. B. 86, 1852, s. 337.
15 Rankin W. Miscellaneous scientific papers. London, 1881, p. 217.
16 Там жe.
17 Майер P. Закон сохранения и превращения энергии, с. 279.
18 Не1mhо11z Н. Fortschritte der Physik, V. Gahrgang, 1853, s. 241.
19 Клаузиус до 1862 г. был невысокого миения о Майере. Письмо Тиндаля, в котором он просил сообщить ему о сочинениях Манера, заставило Клаузиуса подробно позмакомяться с работами Майера, в результате чего он резко изменил свое мнение. Об этом он сообщил Тиндалю, посылая ему работы, написанные Майером.
20 Розенбергер Ф. История физики, ч. III, вып. II. М.-JI., ОНТИ, 1936, с. 55-56.
21 Там же, с. 57.
22 Там жe, с. 54.
23 Там жe.
24 During Е. Robert Mayer, der Galilei des 19. Jahrhunderts, Chemnitz,. 1880.
25 Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Изд. 2-е. Т. 20, с. 400.
26 Там же, с. 5
27 Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Изд. 2-е, Т. 20, с. 353.
28 Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Изд. 2-е. Т 21, с. 304.

Последние статьи