Очерки по истории электротехники
Главная   >>   Очерки по истории электротехники

Очерки по истории электротехники

1.2. История 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, становятся известными только с начала XIX в.
Еще мыслители древности (Демокрит, Эпикур) утверждали вечность и неуничтожимость материи и движения. Это было весьма типичным при умозрительном характере науки: ученые, которых можно отнести к числу стихийных материалистов, формулировали на основе логических построений такие принципы и давали обобщения, которые с позиций нынешней науки могут быть оценены как гениальное предвидение. Так в древности зарождались основы не только материалистической, но и диалектической философии.
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. «Трактате о свете» идея сохранения движения была сформулирована Декартом следующим образом: «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». В таком виде совершенно четко отмечается количественное постоянство движенья, причем никакое другое движение, кроме механического Декарт не рассматривал. Эта идея получила дальнейшее развитие у Лейбница в его законе сохранения живых сил.

После классических работ И. Ньютона и Г. В. 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, повторенное затем совершенно независимо от него А. Л. Лавуазье. 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 сто лет спустя, когда стали известны другие «перемены в натуре» — многочисленные взаимные преобразования энергии (электрической, тепловой, химической, механической), то другие формулировки закона сохранения к превращения энергии и сохранения материи были бы излишни. Но, к сожалению, и эпоха была еще не та, и научные труды М. В. Ломоносова почти полтора столетия оставались неизвестными.

Ф. Энгельс в статье «Мера движения — работа» подчеркивал, что главное в законе — не количественное сохранение, а превращение энергии, являющееся качественной частью закона. Чтобы осмыслить качественные превращения энергии из одной ее формы в другую, должны были стожиться необходимые и достаточные научно-технические предпосылки.Важнейшим среди этих предпосылок явилось развитие учения о теплоте и теплотехническая практика. Известно, какую роль в развитии человека на заре его истории сыграл огонь. Сначала огонь научились сохранять и использовать для приготовления (улучшения) пищи и согревания. В процессе трудовой деятельности человек научился добывать огонь трением. Однако это первый факт, который следует отнести к области теплоэнергетики, практически не мог привести к мысли о превращении одного вида энергии (механической) в другой (тепловую). Вместе с тем получение огня трением для обобщений XIX в. было гораздо более важным фактом по сравнению с многовековым производственным опытом механической энергетики (ветроэнергетики и ранней гидроэнергетики), поскольку в первом случае было налицо качественное преобразование формы энергии (о чем еще не подозревали), а во втором — только преобразование вида механического движения (что было очевидным).

Установлению взаимосвязей между механической и тепловой энергией длительное время объективно препятствовала теория теплорода, хотя эта теория представляла собой первоначально значительный прогресс в развитии научной мысли. 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 тепла, о кинетической природе тепла 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, более известного в Европе под титулом графа Румфорда. При сверлении орудийных стволов в Мюнхене Румфорд наблюдал выделение тепла, что, впрочем, было всем известно. Однако Румфорд сумел показать, что при этом может выделиться практически неограниченное количество тепла. 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 хтя понимания факта превращения одного вида движения (например, механического) в другой (например, тепловое) была мысль об эквиваленте, в частности о механическом эквиваленте тепла.
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 французский инженер Сади Карно опубликовал в 1824 г. замечательную работу «Размышление о движущей силе 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 Карно отказался от теории теплорода и определил впервые механический эквивалент тепла, своевременно не были опубликованы, и рукописи его стали известны лишь в 1878 г.
В приложении к своей единственной книге 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.
Таким образом, можно высказать обшее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, то есть вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает".
По измерениям Карно механический эквивалент теплоты составил 370 кгм на одну килокалорию (напомним, что эта величина составляет 427 кгм, или 4186 Дж).
Сади Карно был сыном своего века. Его теоретические исследования отвечали на конкретный вопрос, поставленный развивавшейся промышленностью, как сделать тепловой двигатель более экономичным.
Заслуживает внимание и то, что, разрабатывая основы термодинамики, Карно исходил из невозможности осуществления вечного двигателя. Но и на его работы современники не обратили того внимания, которого они заслуживали. Понадобилось почти два десятилетия, чтобы стало возможным утверждение закона.
Исследования химических, тепловых и механических действий электрического тока в первые 40 лет XIX в. послужили второй важной предпосылкой к открытию закона сохранения и превращения энергии.
В 1799 г. был построен первый электрохимический источник, электрической энергии — «вольтов столб» и осуществлен электролиз воды. Было показано, что химическая реакция может быть источником электричества, а электричество в свою очередь, может вызвать химические превращения. Так возникали основы новой науки — электрохимии.
Первые же эксперименты с электрическим током позволили обнаружить нагрев проводника (Л. Тенар, В. В. Петров, X. Дэви и др.), но недостаточная точность измерений не позволила найти точные количественные связи. В 1821 г. было открыто явление термоэлектричества (Т. И. Зеебек), а спустя 13 лет — обратное ему явление Ж. Пельтье.
Выдающуюся роль в развитии электромагнетизма и в формировании современных физических взглядов сыграл М. Фарадей. Еще в опытах Эрстеда (1820 г.) демонстрировалось механическое воздействие электрического тока на магнитную стрелку, но Фарадей в 1821 г. осуществил непрерывное движение проводника с током вокруг магнита (и наоборот), что явилось прообразом электродвигателя. В 1831 г. он открыл явление электромагнитной индукции. Им же было показано, что механическое движение проводника в магнитном поле вызывает появление электродвижущей силы (принцип электромашинного генератора). В 1836 г. 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 пре.ерпсвать такие изменения, что происходит явное превращение ее в другую. Так, мы можем превратить химическую силу в электрический ток, а электрический ток в хими-ческую силу. Прекрасные опыты Зеебека и Пельтье показывают взаимную связь теплоты и электричества, а 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. 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».
Следует упомянуть и третью важную предпосылку к открытию закона сохранения и превращения энергии — успехи биологии. Среди энциклопедических исследований М. В. Ломоносова можно найти догадку о том, что растения питаются одной из составных частей воздуха. Через 30 лет, в 1783 г., этот факт научно обосновал швейцарский ботаник Сенебье. Постепенно формировались представления о переработке в растениях неорганических элементов в органические. Развеивался миф об особой «жизненной силе» в организмах человека и животных. Была установлена прямая связь между количеством потребляемой пиши и способностью производить работу.
Наступило время широких обобщений — 40-е годы прошлого столетия. Самое главное, что предстояло сделать, — это осмыслить тот факт, что, кроме вещества, которое, изменяясь качественно, сохраняет свое количество, в природе существует еще нечто иное, связанное с движением материальных частиц и тел, что тоже подчиняется своему закону сохранения и меняет свою форму.
Решающую роль в установлении закона сохранения и превращения энергии история отводит Роберту Манеру, Джеймсу Джоулю и Герману Гельмгольцу.
Роберт 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 Май-ер, но может ли быть внезапным открытие, предпосылки которого были хорошо известны выпускнику Тюбингенского университета? Внезапным был для 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 Майер, как тогда было принято, «пустил ему кровь», вскрыв вену. Каково же было его удивление, когда он увидел, что венозная кровь была не стать темной, как в умеренных широтах.  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 Майера, пронзившие его, подоено молнии, навели на вывод о существовании всеобщего закона природы.

В 1841 г, вернувшись на родину, в Гейльбронн, Майер написал статью «О количественном и качественном определении сил» и направил ее редактору известного тогда журнала «Аnnа1еn dег Рhуsik». Редактор не счел нужным ее напечатать и даже не ответил автору. 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 Майер много внимания уделяет взаимопревращениям механической работы и теплоты, не зная о соответствующем исследовании Карно, определяет механический эквивалент теплоты (по его данным он равен 365 кгм/ккал), говорит о «неразрушимости» сил и формулирует свой принцип. Здесь же 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 обозначил величину, пропорциональную массе и квадрату скорости движущегося тела).

Идеи Майера носили столь общий и универсальный характер, что они сначала не были восприняты современниками. Его жизиь превратилась в непрерывную борьбу за утверждение своего принципа. Противники выискивали в работах Майера малейшие неточности и неудачные формулировки, подвергали сомнению все его научные результаты в целом.

Классические измерения механического эквивалента теплоты провел в 1841-1843 гг. (опубликовано в 1843 г.) английский физик, в прошлом манчестерский пивовар, Джеймс Джоуль. По его 24 энным, этот эквивалент составлял 460 кгм/ккал. Джоуль также становил независимо от Ленца связь между электрическим током выделяемым теплом (закон Джоуля—Ленца). Интересно отметить, что и работу Джоуля Британское королевское общество отказалось опубликовать в полном объеме, требуя от него все новых новых экспериментальных уточнений.

Наконец, немецкий ученый Герман Гельмгольц в 1847 г. в работе «О сохранении силы» дал в наиболее общем виде закон сохранения, показав, что сумма потенциальной и кинетической энергий остается постоянной. Большое значение имело приведенное в этой же работе доказательство того, что процессы в живых организмах тоже подчиняются закону сохранения энергии. Здесь же впервые дана математическая трактовка закона.

Завершением длительного пути, пройденного наукой до точной формулировки закона сохранения энергии, можно считать оклад Уильяма Томсона (впоследствии лорда Кельвина) «О динамической теории тепла» (1851 г.). Томсон в 1860 г. ввел в нау ку термин «энергия» в современном его смысле. К такому же толкованию термина «энергия» пришел в 1853 г. известный ютландский физик У. Д. Ренкин — один из создателей технической термодинамики.

Изложение истории открытия закона уместно закончить словами выдающегося английского физика и общественного деятеля Джона Бернала, написанными 100 лет спустя: «Закон сохранения энергии... был величайшим физическим открытием середины (IX 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. То, что было установлено, предоставляло собой твердый валютный курс для обмена между валютами различных видов энергии: между калориями теплоты, килограммометрами работы и киловатт-часами электричества, 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»*

Этим законом было дано научное подтверждение материалистической идеи о неуничтожим ости движения. Только опираясь на диалектический материализм, можно было раскрыть всю глубину содержания закона сохранения энергии. Эта задача была выполнена Энгельсом, который впервые дал всесторонний научный анализ закона сохранения и превращения энергии, показав, что главно положительное в этом законе — качественное превращение форм движения материи. Само название («закон сохранения превращения энергии») было введено в научное обращение Энгельсом.



BoomLive