На главную


Закон сохранения и превращения энергии

  Великая французская революция и последовавшие за ней наполеоновские войны существенно изменили лицо Европы. Наступило Новое время, которое развеяло иллюзии, все еще витавшие в стенах алхимических лабораторий, и серьезно поколебало веру в сверхъестественные силы. Алхимия так и не дождалась поры, чтобы пополнить свой терминологический словарь, изобиловавший названиями многочисленных тинктур, ляписов и т.п., такими реальными понятиями, как работа и энергия. Глубокая разработка указанных понятий заставила провести переоценку всей тогдашней механики и науки о теплоте. В этих упорных, трудных и не всегда удачных поисках истины, кроме уже упоминавшихся нами Декарта и Лейбница, принимали участие Эйлер, Бернулли, Ломоносов и многие другие ученые. При этом большинству из них не хватало прежде всего подходящей модели, на которой возможно было бы проверить правильность высказанных гипотез. Ситуация существенно изменилась с изобретением паровой машины - именно она открыла путь к глубокому и последовательному анализу понятия тепла и, более того, к опытной количественной оценке процессов превращения энергии из одной формы в другую. Ключом к дальнейшему успеху, несомненно, послужило правильное понимание понятия теплоты. Однако не теплород и не флюидная теория, а только победившие в конце концов материально-кинетические представления о сущности тепла вывели физические исследования XIX в. на правильную дорогу.
  Согласно историческим свидетельствам, Юлиус Роберт Майер (рис. 87), один из тех, кто своими исследованиями открыл новую, энергетическую эру, в возрасте десяти лет сконструировал свой первый и последний перпетуум мобиле. Как и многие другие его предшественники, он также поддался иллюзии вечного движения и захотел проверить эту идею на практике. Мальчик построил небольшую «сухую» водяную мельницу с водяным колесом и коклеей (архимедовым винтом) для обратного перекачивания воды к лопастям водяного колеса. Быть может, именно неудача, постигшая его, как и всех остальных, дала будущему исследователю материал для размышлений ( По собственному признанию Майера решающим толчком для него послужили наблюдения, когда он, молодой корабельный врач, в 1840 г. во время стоянки судна в Сурабае производил кровопускание матросам. Его поразил необычно красный цвет венозной крови. Пытаясь объяснить этот факт с помощью теории Лавуазье, который установил, что внутренняя теплота получается за счет пищи, принимаемой человеком, Майер задался вопросом, что же происходит, если тело человека, кроме теплоты, производит еще и работу. Именно в размышлениях над этим он пришел к идее неуничтожимости и способности к превращению различных «сил» - движения, электричества и теплоты. При этом, используя аналогию с законом сохранения и превращения вещества, Майер сумел точно сформулировать свой знаменитый закон, - Прим, перев.).

  В начале сороковых годов XIX в. Майеру удалось сформулировать один из важнейших законов современной физики - закон сохранения энергии, согласно которому энергия в произвольной замкнутой системе при любых процессах, происходящих в системе, остается величиной постоянной и лишь переходит из одной формы в другую.
  Майер прекрасно сознавал равносильность закона сохранения энергии и утверждения о невозможности создания перпетуум мобиле. Так, об отрицательном отношении к вечному двигателю он писал в 1842 г. своему другу В. Гризингеру: «Этот закон вытекает как необходимое следствие из неопровержимых принципов. Но у меня есть и другое доказательство, близкое мне лично и свидетельствующее о справедливости моих установлений, - это доказательство от противного. В науке общепризнано, что создать перпетуум мобиле невозможно (если даже отвлечься мысленно от всяческих механических сопротивлений, таких как трение и т.п.). Мое утверждение (речь идет о законе сохранения энергии.- С. М.) можно вывести в качестве необходимого следствия из самого факта невозможности существования вечного двигателя. Если же, тем не менее, кому-либо удастся опровергнуть это мое утверждение, то я немедленно создам перпетуум мобиле».
  Важную роль в установлении точной количественной формулировки закона сохранения энергии сыграл знаменитый немецкий естествоиспытатель, врач, физик и философ Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц. В 1847 г. он выступил в Берлине на заседании недавно образованного Физического общества со своим знаменитым докладом «О сохранении силы», где он высказался и о вечном движении: «Вообразим себе систему тел природы, которые состоят в известных пространственных взаимоотношениях друг с другом и начинают двигаться под действием своих взаимных сил до тех пор, пока они не придут в определенное другое положение; мы можем рассматривать приобретенные ими скорости как результат определенной механической работы и можем выразить их через работу. Если бы мы захотели, чтобы те же силы пришли в действие во второй раз, совершая еще раз ту же работу, то мы должны бы были привести тела каким бы то ни было образом в первоначальные условия, применяя другие силы, которыми мы можем располагать. Мы на это затратим определенное количество работы приложенных сил. В этом случае наш принцип требует, чтобы количество работы, которое получается, когда тела системы переходят из начального положения во второе, и количество работы, которое затрачивается, когда они переходят из второго положения в первое, всегда было одно и то же, каков бы ни был способ перехода, путь перехода или его скорость. Так как если бы величина работы была на каком-нибудь одном пути больше, чем на другом, то мы могли бы пользоваться первым путем для получения работы, а вторым - для обратного перемещения тел, при котором мы могли бы затратить только часть полученной работы, и мы получили бы неопределенно большое количество механической силы, т.е. мы могли бы построить вечный двигатель (perpetuum mobile), который не только поддерживал бы свое собственное движение, но и был бы в состоянии давать силу для совершения внешней работы» (Цит. по кн.: Гельмгольц Г. О сохранении силы.-М.-Л.: ГИТТЛ, 1934, с. 39-40. - Прим. перев.).
  Независимо от Майера закон сохранения энергии был также установлен английским физиком Джеймсом Прескоттом Джоулем, проводившим в начале 40-х годов XIX в. свои классические опыты по выделению тепла в проводниках при прохождении по ним электрического тока. В 1843 г. эти опыты привели его к определению механического эквивалента тепла. Таким образом, усилиями Майера и Джоуля было сделано открытие, принесшее первое экспериментальное доказательство кинетического характера тепла - этой некогда загадочной и таинственной субстанции. Правда, в первых своих опытах, которые не могли отличаться большой точностью, Джоуль получил значение механического эквивалента тепла, равное 460 кгм/ккал; более поздние опыты дали весьма точное значение 425 кгм/ккал. В конце концов, в результате последовавших затем многочисленных измерений оказалось, что одной единице тепла-килокалории, определяемой, как количество тепла, необходимое для нагревания одного килограмма деаэрированной воды при нормальном атмосферном давлении от 14,5°С до 15,5°С, соответствует 4186,8 джоулей (418,7 кгм) механической работы.
  Обнаружение Майером, Джоулем и другими исследователями взаимосвязи между механической энергией и теплотой и нахождение их количественной эквивалентности способствовало укреплению корпускулярной теории тепла, основанной на гипотезе, что теплота обусловлена движением молекул и что преобразование тепла в работу и есть, собственно, трансформация одного вида движения в другой.
  С момента открытия закона сохранения энергии прошло почти полтора столетия. Сегодня в его справедливости, естественно, нет никаких сомнений: по существу, его доказала вся техническая практика человечества, несчетное число раз подтвердившая, что самая совершенная паровая машина, двигатель внутреннего сгорания или турбина способны совершать работу только тогда, когда к ним подводится энергия от внешнего источника. Растаяли и надежды, с которыми сторонники перпетуум мобиле приветствовали на первых порах появление паровой машины, ожидая, что после своего усовершенствования она будет способна работать как некое идеальное устройство с кругооборотом постоянного количества энергии, непрерывно переходящей из механической формы в тепловую и обратно.
  Эта намеченная таким образом альтернатива, не запрещаемая законом сохранения энергии, будет предметом нашего обсуждения в следующей главе. Мы увидим, что закон сохранения энергии так и не сумел окончательно подорвать глубоко укоренившуюся веру в существование вечного движения и возможность построения перпетуум мобиле; вместе с тем вновь возникшие споры привели к открытию еще одного важного закона природы.


предыдущая страница

оглавление

следующая страница