РЕФЕРАТ
з курсу "Концепції сучасного природознавства"
по темі: "Закон збереження енергії в макроскопічних процесах"
1. "Жива сила"
Енергією називається єдина міра різних форм руху. Ми так часто користуємося цим терміном у своєму повсякденному житті, що не замислюємося про те центральному місці, яке займає це поняття в структурі сучасного природознавства, будучи, по суті, фундаментом всієї будівлі сучасної фізики.
Енергія проявляється в безлічі різних форм, звичайна заводна іграшка, з якою пов'язане наше дитинство, володіє енергією. Енергія приводить у рух автомобіль, обігріває будинки, дає можливість виробляти різноманітні вироби, добувати необхідні корисні копалини, виготовляти добрива і т. д. Ми вже звикли до рекламних роликів і знаємо, що нам купувати на прилавках магазинів, щоб у стількох-то калоріях отримати "свіже дихання" або "заряд бадьорості на цілий день". Шматочок шоколаду, булка хліба та інші продукти харчування мають енергією. Навесні все навколо зеленіє і розквітає, і це теж наслідок того, що рослини споживають сонячну енергію. Все живе навколо обов'язково повинен споживати енергію, щоб жити.
Нашим однопланетянам пощастило. Тому що без енергії, випромінюваної Сонцем, не було б життя на планеті Земля. Мільярди років тому Сонце розбудило життя на Землі і невпинно підтримувало її, щедро посилаючи нам свою енергію. Однак подібне марнотратство коли-небудь закінчиться, запаси водню, що забезпечують протікання реакцій термоядерного синтезу на Сонце, в кінці кінців, вичерпаються. Перед людством неминуче виникне проблема переселення, можливо, навіть в іншу галактику. Важливо знайти зірку, більш молоду, і розміститися на зручній планеті неподалік від неї. Думати про це не заважало б вже зараз. Ось чому проблема освоєння космосу є глобальною проблемою, що стоїть перед людством.
Але все це завдання далекого майбутнього. А сьогодні нас хвилює питання використання енергетичних ресурсів Землі. Ми постійно чуємо, що цивілізація людського суспільства пов'язана з дедалі збільшується зростанням споживання енергії. Запаси палива - нафти, вугілля, деревини та інше, не безмежні. І на порядок денний ставиться питання про подальший розвиток атомної енергетики.
Ми з задоволенням характеризуємо відомих нам людей, кажучи: "Дуже енергійна молода людина" або "З Вашої щось енергією гори зрушити можна".
Отже, енергія проявляється у всіх цих формах. Власне, саме поняття енергії було вироблено саме в пошуках зв'язків між різними формами руху матерії. Перехід енергії з однієї форми в іншу означає, що енергія в даній її формі зникає, перетворюється на енергію в іншій формі. І ось тут-то криється найголовніше, що визначає енергію як фундаментальне поняття природознавства. Виявляється, що при будь-яких процесах, що відбуваються в ізольованій системі, повна енергія системи не змінюється. Тобто перехід енергії з однієї форми в іншу відбувається з дотриманням кількісну еквівалентність. Для кількісної характеристики різних форм руху вводяться відповідні їм види енергії: механічна, внутрішня (теплова), електромагнітна, хімічна, ядерна і т. д. Закон збереження енергії - закон, що керує всіма явищами природи, винятків з нього науці невідомо.
Характерно, що, будучи центральним поняттям у фізиці, саме формування поняття енергії є разом з тим історія відкриття закону збереження і перетворення енергії. Так що до структури фізичної теорії поняття енергії увійшло лише до середини XIX століття.
Термін "eveptstoc" як фізичного поняття зустрічається в Аристотеля. Аристотель був першим античним філософом, який створив понятійний апарат для визначення того, що є рух. Рух трактується Аристотелем як середній термін, як перехід від можливості до дійсності, від потенції до діяльності. Термін "£ V £ p7 £ icx" вживається Аристотелем для характеристики діяльності по здійсненню здібності, тобто перехід від потенції у її реалізацію, діяльність (наприклад, будівництво). Можна було б зробити висновок про те, що прямого зв'язку між "evepyekx" Аристотеля і сучасним змістом цього поняття немає. Однак істотним є те, що "evepteicc" з'являється в Аристотеля саме у зв'язку зі спробою охарактеризувати рух як загальної категорії, яка описує всі види, роди руху.
Саме уявлення про перетвореннях різних видів руху, про незнищенність руху міститься і в давній міфології, і у філософії Стародавньої Греції і Сходу. Ідея про незнищенність і несотворімості руху відродилася в Новий час і стала приймати більш певні, наукові форми у XVII столітті.
У зв'язку з вивченням механічного руху та формування механістичної дослідницької програми думка про незнищенність і несотворімості руху була спочатку зведена до уявлення про несотворімості і незнищенності саме механічного руху. Вивчення механічного руху відразу ж привело до дилеми, який величиною "mV" або "mV 2" слід вимірювати механічний рух і яка з цих величин зберігається в процесі взаємодії тіл? Тут m означає масу тіла, а величина V - швидкість тіла. Величина "mV" введена Декартом і названа їм кількістю руху. Величина "mV 2" введена в Лейбніцем і названа "живою силою" - "vis viva", хоча ще раніше в теорії пружного удару Гюйгенсом і Врена було встановлено збереження величини "mV 2".
Між послідовниками Декарта і Лейбніца виникла суперечка про те, якому з понять слід віддати перевагу при вивченні механічного руху, яка з величин зберігається в процесі взаємодії - кількість руху або "жива сила"? Вирішення цієї полеміки прозвучало тільки з відкриттям закону збереження при перетворенні механічної енергії в інші форми руху. При дослідженні удару двох тіл було встановлено не лише збереження "живої сили" у разі пружного удару, але і втрата її при неупругом ударі. Пріоритет цього відкриття належить Валліс.
Треба відзначити, що поняття "живої сили" корінним чином відрізнялося від поняття сили в ньютонівської механіки. Ньютонівська сила має своє конкретне місце в системі понять фізики і розглядається як причина зміни стану руху тіла. Ньютон підкреслював зовнішній по відношенню до матерії характер механічних сил, тобто в понятті сили полягала думка про зовнішнє джерело руху, відокремленому від матерії. Саме таке розуміння призводить до уявлення про різних силах, що розглядаються в якості зовнішніх агентів, в якості активного початку, що приводить у рух пасивну матерію. Звідси і назва "жива сила", яка пов'язується з поданням про активний початку будь-якого рухомого тіла, на противагу "мертвої силі", активному початку, запасеної в будь-якому спочиваючому тілі.
Поняття сили грає центральну роль в механіці Ньютона. Сам Ньютон не ставив перед собою завдання про створення механіки, яка виводилася б з будь-якого принципу збереження деякої міри руху. Що стосується "живої сили", то Ньютон звертав увагу на факт незбереження руху у разі непружного удару або тертя.
Таким чином, хоча наука XVII століття виробила уявлення про енергію у вигляді "живої сили", а більш ніж через 100 років, в 1829 році, Коріоліса розглянув величину, рівну половині "живої сили" mV2 / 2, яка визначає кінетичну енергію в сучасній структурі наукового знання; поняття енергії, як, втім, і поняття роботи, були відсутні в механіці Ньютона і аж до XIX століття не фігурували в підручниках фізики.
Термін "енергія" в сенсі динамічної змінної з'явився лише в 1807 році в роботі Юнга "Курс лекцій з натуральної філософії", поняття "робіт" докладно розвинене у праці Ж.В. Понселе "Введення в індустріальну механіку".
Юнг ввів поняття енергії для позначення "живої сили", не виводячи це поняття за рамки механістичного опису явищ природи. Сама завдання розширення цього поняття на інші форми руху, завдання категоріального обгрунтування цього поняття і встановлення відмінності його від поняття кількості руху стала можливою лише завдяки дослідженням переходів немеханічного руху в інші види руху. Зусиллями вчених XVII-XIX століть були відкриті і якісно досліджено зв'язки між:
механічним рухом і теплотою;
хімічними явищами і електрикою;
механічним рухом і електрикою;
електрикою і магнетизмом;
хімічними явищами і теплотою;
теплотою і електрикою і т. д.
Результати цих досліджень і привели до відкриття закону збереження і перетворення енергії. Зупинимося коротенько на розгляді цих результатів.
2. Робота в механіці. Закон збереження і перетворення енергії в механіці
Формування поняття механічної енергії було пов'язано з формуванням поняття механічної роботи.
Задамося питанням, яким чином можна було б повідомити тілу кінетичну енергію mV 2 / 2? Її можна передати тілу при зіткненні, як це мало місце у випадку удару куль. Але її можна також отримати, підштовхуючи тіло за допомогою дії певної сили. Нехай деяке тіло під дією сили F виходить зі стану спокою і рухається зі все наростаючою швидкістю протягом деякого часу t. За цей час швидкість тіла зростає до значення V, і тіло проходить деяку відстань х. Можна показати, використовуючи закони механіки, що справедливо рівність:
Fx = mV 2 / 2
Величину Fx, рівну добутку сили на відстань, на якому вона діяла на тіло, прийнято називати роботою А:
А = Fx
Тепер спробуємо з'ясувати, чи входять робота і енергія як складові частини в один і той же закон збереження? Або, висловлюючись інакше, якщо над тілом здійснюється робота, завдяки чому збільшується кінетична енергія тіла, чи зможе тіло потім за рахунок свого запасу кінетичної енергії виробити стільки ж роботи?
Відповідь позитивна. Якщо на шляху рухомого тіла виявиться якесь інше тіло, скажімо, пружина, то тіло, налітаючи на пружину, буде стискати її, створюючи переміщення її ланок щодо один одного, тобто буде діяти на пружину з деякою силою. Зрештою, тіло зупиниться, розтративши всю свою енергію руху на здійснення роботи зі стиснення пружини. Слідом за цим пружина почне розширюватися і буде штовхати тіло назад. Тобто при своєму розширенні пружина здійснить роботу над тілом, яка вся піде на збільшення кінетичної енергії тіла після зупинки. Якщо пружина хороша, пружна, то можна буде констатувати практичну рівність кінетичної енергії тіла до і після взаємодії з пружиною.
Відчувається, що в наших міркуваннях пропущено деякий ланка. А саме, виникає запитання: "У ті миті, коли пружина стиснута, і тіло вже не діє на неї з силою, переміщаючи її, тобто не робить у ці миті роботу; саме тіло в ці миті спочиває, тому що запас її кінетичної енергії вже розтрачений на здійснення роботи зі стиснення пружини. Так що в ці миті ні робота не здійснюється, ні тіло не має більш кінетичної енергії. То куди ж все це поділося? " Ми чітко бачимо, що пружина перейшла в інший якісний стан: з недеформованому стану вона перейшла в стислий, після чого, розтискаючи, сама зробила роботу. Ми приходимо до розуміння того, що запас кінетичної енергії не пропали безвісти, а перейшов у запас енергії, яку має пружина в стислому стані, "мертвої сили", як її спочатку називали. Таку нерухому форму енергії прийнято називати потенційною енергією, як би підкреслюючи, що ця енергія потенційно може перейти в енергію руху.
Найпростіший спосіб запасти таку енергію - це підняти вантаж на висоту. Коли вантаж падає, запасена потенційна енергія перетворюється в кінетичну. І навпаки, коли ми відчуваємо втому, піднімаючись на високу гору або ж сходами на верхній поверх будівлі, пов'язано це з тим, що ми постійно здійснюємо роботу по збільшенню потенційної енергії свого тіла, піднімаючи його на відповідну висоту.
Зазвичай термін "потенційна енергія" відносять до енергії, запасеної в деформованому тілі, в тілі, піднятому на висоту, іншими словами, до запасу енергії, зумовленого положенням тіла в деякому полі і природою самого частка. Сучасній фізиці відомо чотири типи полів: гравітаційне, електромагнітне, сильне і слабке. Сам факт обумовленості потенційної енергії наявністю полів говорить про незвідність поняття потенційної енергії просто до механічного руху. Величина потенційної енергії визначається тими процесами, які обумовлені конкретною природою взаємодії системи тіл (гравітаційним, електромагнітним, сильним або слабким) і залежить від зміни конфігурації тіл у відповідних полях. Потенційна енергія стиснутої пружини, наприклад, виражає собою енергію внутрішнього руху частинок, складових пружину. Механіка не займається вивченням "внутрішніх сил", пов'язаних із взаємодією атомів один з одним, а цікавиться кінцевим результатом. Цей результат може бути обчислений за величиною роботи, яку потрібно затратити, щоб таким-то чином змінити конфігурацію частин пружини. Запас цієї роботи і розуміється нами як потенційна енергія пружини. Так що потенційна енергія входить в механіку як поняття, що визначає властивість системи матеріальних тіл здійснювати роботу при зміні конфігурації тіл в системі.
Таким чином, робота може бути визначена як міра зміни енергії. У ряді випадків робота, що здійснюються за рахунок зменшення потенційної енергії тіла, практично повністю йде на збільшення кінетичної енергії тіла. Пізніше ми вкажемо на обмеженість нашого прикладу. Однак саме ці випадки послужили підставою для формулювання закону збереження і перетворення енергії стосовно до механічних процесів. Цей закон звучить наступним чином: повна енергія замкнутої консервативної системи тіл, що дорівнює сумі їх потенційної і кінетичної енергії, залишається величиною постійною. Тобто всяка зміна потенційної і кінетичний енергії є перетворення потенційної енергії в кінетичну, а кінетичної в потенціальну. У випадку механічного руху передача енергії відбувається у формі роботи в процесі силової взаємодії тел.
Тепер обмовимося, що кожен фізичний закон має межі своєї застосовності. Це в першу чергу відноситься до закону збереження механічної енергії. Перше важливе обмеження цього закону полягає у вимозі ізольованості системи розглядуваних тіл від зовнішніх впливів. Таку систему ми називаємо замкнутою. Друге обмеження пов'язане з тим, що не завжди робота однозначно визначається зміною потенційної енергії тіла при переміщенні його з однієї точки поля в іншу. Однозначне визначення роботи як міри зміни потенційної енергії має місце лише для певних типів полів, які називаються потенційними. Прикладами таких полів можуть служити гравітаційне або електростатичне поля. Потенційними вважаються поля, робота сил яких не залежить від траєкторії руху тіла в полі. Відповідно сили цих полів називають консервативними. У разі, якщо робота сил залежить від форми шляху або сили залежать від швидкості руху, механічна енергія системи не зберігається. Наприклад, сили тертя, які не є консервативними, присутні у всіх випадках. Отже, закон збереження механічної енергії має сенс лише стосовно до ідеалізованим ситуацій. Не слід у зв'язку з цим дивуватися і робити поспішні висновки типу: "Треба було стільки морочити голову якимось законом, який практично не існує зовсім?" По-перше, це зауваження несправедливо, тому що існує безліч явищ, які допускають при їх аналізі подібну ідеалізацію. У цих випадках закон збереження механічної енергії може бути використаний з досить високим ступенем точності, зрозуміло, в малі тимчасові інтервали, коли тертя в розрахунок можна і не приймати. По-друге, без встановлення цього закону було б дуже важко зробити наступний крок: з'ясувати, куди ж розтрачується механічна енергія при терті?
Інша справа - спробувати обдурити природу настільки, щоб створити машину, за допомогою якої можна було б здійснювати роботу без витрати енергії в тій чи іншій формі. Це проблема створення вічного двигуна - "перпетуум-мобіле". Історія розвитку людського суспільства особливою сторінкою містить в собі ті, в общем-то, нечисленні варіанти вічних двигунів, які свідчать про неймовірні хитрощі людського розуму. Перший досі відомий достовірний документ про "здійсненні" ідеї вічного двигуна відноситься до XIII століття. Ще до встановлення закону збереження енергії в 1775 році було зроблено заяву французької Академії, в якому говорилося про неможливість створення вічного двигуна. Внаслідок чого Академія відмовлялася приймати надалі подібні проекти для розгляду.
Отже, механічна енергія при терті розтрачується, але куди? З'ясування енергетичної боку таких процесів і склало наступну важливу сторінку в історії відкриттів перетворення механічної енергії в інші форми руху.
3. Внутрішня енергія
Про те, що таке теплота, люди замислювалися дуже давно. Такі поняття, як "вогонь", "світло", "теплорода", зустрічаються вже в найдавніших сказаннях Сходу, а пізніше в роботах античних філософів Стародавньої Греції. Проте в ті далекі часи були висловлені лише загальні припущення про природу вогню, світла і теплоти. І античні філософи, і схоласти середньовіччя розглядали холод і тепло як різні речі. Вони були далекі від уявлення про те, що холод слід розглядати як недолік тепла, а не як протилежну субстанцію.
Ця точка зору проіснувала досить довго. Так, вже в Новий час, у творах П'єра Гассенді, що вийшли в 1658 році, теплота і холод трактуються як різні матерії. Причому атоми холоду, на відміну від атомів тепла, є гострими; проникаючи в рідину, вони скріплюють її, перетворюють на тверде тіло.
Вчення про теплові явища починає розвиватися лише з середини XVIII століття. Поштовхом для цього розвитку є винахід термометра. Цікаво відзначити, що протягом довгого часу між поняттями тепла і температури не проводилося відмінності.
Температура - в перекладі з латинської означає "змішування в належному відношенні". Це говорить про походження самого терміна "температура". Справа в тому, що не відразу було зрозуміло, що здорові люди мають практично одну і ту ж температуру. Ступінь нагретости відносили до темпераменту людини. Так, в II столітті великий лікар Гален стверджував, що темперамент людини створюється шляхом змішування чотирьох рідин. Ці рідини, що грають важливу роль також у вченні Гіппократа, відповідають за темперамент людини. Вони називалися: кров, слиз, чорна жовч і жовту жовч. При певному змішуванні вони породжують сангвініків, флегматиків, меланхоліків і холериків.
Вченим, який першим винайшов прилад для вимірювання нагретости тіла, був Галілей. Звичайно, цей прилад був ще далекий від досконалості, він навіть не був проградуйована. Проте він все ж таки дозволяв порівнювати температури тіл, що знаходяться в одному і тому ж місці і в один і той же час. Вперше температуру людського тіла почав вимірювати італійський лікар і анатом Санторіо за допомогою винайденого ним термометра. Після Галілея багато вчених займалися виготовленням приладів для визначення нагретости нелг італійські майстри з Флоренції, Отто фон Геріке, Амонтоном, Гук, Фаренгейт, Цельсій, Реомюр, Деліль та ін
У 1655 р. Гюйгенс запропонував в якості опорних точок термометра обрати точку кипіння води і точку танення льоду. Сучасна шкала Цельсія була запропонована шведським ботаніком Андерсом Цельсієм в 1742 році.
Однак за 0 градусів він приймав точку кипіння води, а за 100 градусів - точку танення льоду, як і Даліли. Така шкала не завоювала популярності і дуже скоро була перевернута назад.
Сама по собі градуювання термометрів доставляла не менше клопоту, ніж конструкція термометрів. І це пов'язано з питанням про те, чи відбувається розширення використовуваних у термометрах рідин (води, спирту, ртуті) або газу пропорційно збільшенню температури у всіх інтервалах цікавлять температур. Таким чином, задача удосконалення термометрів стала поштовхом для вивчення явища розширення тіл при нагріванні. Однак усі ці дослідження не поділяли поняття "теплота" і "температура". І температура тіла так само, як і теплота пов'язувалася з поданням про теплорода. У "Словнику церковнослов'янської та російської мови", виданому в середині XIX століття, можна прочитати: "Температура є міра згущення теплорода, який показується в градусах термометром". "Теплорода - речова причина спека, тепла і холоду, незбагненно тонка рідина, що виливається з Сонця і проникає в усі тіла фізичного світу, невидима, невагома і лише відчуттям відчувається".
Отже, температуру і теплоту пов'язували з особливим видом невагомою матері - теплорода. Саме присутність теплорода в тілі викликає нагрітого тіла. Одиниця виміру теплоти, що дожила до наших днів, "калорія" в перекладі на російську мову означає не що інше, як "теплорода". Однак так думали не всі. В історії розвитку поглядів на природу теплоти ясно простежуються два напрями: один з них пов'язане з поданням про теплорода, а друге пов'язує сутність теплових явищ з рухом атомів, з яких складаються тіла. Це так звані теплородная і кінетична теорії теплоти. У відношенні теплородной теорії також існували дві точки зору. Перша точка зору - традиційна, згідно з якою теплорода - "якась рідина, вкрай дрібні частинки якою наділені силою взаємного відтавання". У цьому випадку більше чи менше скупчення цієї рідини в тілах визначає їх стан ". Друга точка зору була менш популярною, але в ній як би робилася спроба синтезу кінетичної теорії з теорією теплорода.
Кінетичної теорії теплоти дотримувалися багато вчених. Серед них - Френсіс Бекон, Рене Декарт, Данило Бернуллі, М. Ломоносов, Л. Ейлер. Проте панівною протягом століть була теплородная теорія. Причина цього криється в тому, що аж до виготовлення парових машин і їх удосконалення вчені не цікавилися питанням про шляхи перетворення теплоти в механічну роботу. Зворотні процеси перетворення роботи в теплоту були відомі з незапам'ятних часів, але вони, як здавалося, добре пояснювалися теплородной теорією (аж до дослідів Румфорда).
Суперечка між прихильниками теплородной і кінетичної теорії полягав у наступному: чи зводиться уявлення про теплоту до деякої субстанції, нехай навіть і невагомою, або ж теплота є прояв кінетичного руху молекул? А. Ейнштейн і Л. Інфельд зазначають: "В історії фізики часто зустрічаються такі випробування, які здатні провести рішення про життя або смерті теорії: вони називаються crucis (круціс, тобто вирішальними) експериментами. Рішенням суду такого експерименту може бути виправдана тільки одна теорія явищ ... Такий вирішальний експеримент був зроблений Румфорда; він завдав смертельного удару субстанціональної теорії теплоти ". Треба сказати, що цей експеримент міг бути поставлений тільки завдяки і внаслідок розвитку калориметричних досліджень - досліджень з вивчення явищ теплообміну між двома речовинами (однорідними з різними температурами, різнорідними з різними температурами, в різних фазах і т. д.) при змішуванні їх в теплоізольованому посудині - калориметрі. У процесі цих досліджень, де основна заслуга належить петербурзькому академіку Георгу Ріхманом, було встановлено, що при змішуванні рідин, навіть однорідних, встановлюється певна однакова для всієї суміші температура. Подальші дослідження концентрувалися в з'ясуванні питання, "як розподіляється теплота між різними тілами". Було встановлено, що різні тіла мають різні питомі теплоємності. Під питомою теплоємністю речовини розуміється кількість теплоти (поки ще теплорода) для збільшення температури одиниці маси речовини на один градус. У процесі калориметричних досліджень було зроблено важливий висновок: при дослідженні теплових явищ слід розрізняти такі поняття, як температура і теплота. Так, при перетворенні, наприклад, льоду у воду, теплота витрачається, а температура при цьому не змінюється (лід, як і інші тіла, плавиться при строго певній температурі). Разом з поняттям кількості теплоти були встановлені поняття питомої теплоємності, теплоємності, теплоти плавлення, теплоти пароутворення.
Так, в чому ж полягає суть вирішального експерименту, проведеного графом Румфорда? Граф Румфорд (Бенджамін Томсон) посилався на досліди з виділення теплоти при терті. Це явище добре відоме з найдавніших часів. Воно стало однією з найважливіших передумов виникнення людської цивілізації. Бо завдяки тертю первісна людина здобував собі вогонь. Тепло-рідна теорія пояснювала виділення теплоти при терті тіл один про одного тим, що при терті тіла як би вичавлюють із себе теплорода, внаслідок чого кількості теплорода в них, тобто теплоємність, повинні змінюватися. Найвідоміша робота Румфорда "Дослідження джерела тепла, що викликається тертям" була представлена в Королівське товариство в Лондоні в 1798 році. До слова сказати, Румфорд відомий як активний політичний діяч, видатний організатор, який зробив значний внесок у реорганізацію армії. При цьому він зберігав постійний активний інтерес до науки і техніки. Талановитий експериментатор, він велику увагу приділяв практичним застосуванням наукових знань. У вищеназваної роботі Румфорд навів результати експерименту, пов'язаного зі свердлінням гарматного стовбура. Протягом 2,5 годин за рахунок тертя було отримано кількість теплоти, достатньої для перетворення в пару 12 кілограмів води при отриманні всього лише 270 грамів металевої стружки. Далі було виявлено, що стружка має таку ж питому теплоємність, як вихідний метал виливки. Внаслідок отриманих результатів Румфорд зробив висновок про те, що теплота не могла бути отримана за рахунок "вичавлювання" теплорода з металу. "Обговорюючи це предмет, - пише Румфорд, - ми не повинні забувати урахування того самого чудового обставини, що джерело теплоти, породжений тертям, опинився в цих експериментах явно невичерпним.
Абсолютно необхідно додати, що це щось, яке будь-ізольоване тіло або система тіл може безперервно постачати без обмеження, не може бути матеріальною субстанцією, і мені здається надзвичайно важким, якщо не абсолютно неможливим, створити яку-небудь точну ідею про щось, що в стані порушуватися і передаватися, подібно до того як збуджується і передається в цих експериментах теплота, якщо тільки не допустити, що це щось є рух ".
Досліди Румфорда були підтверджені також роботами Хемфрі Деві, які показали, що тертя двох шматків льоду один про одного може викликати їх танення. Румфорд, висловлюючи своє непримиренне ставлення до теплородной теорії, як-то сказав: "Я задоволений тим, що доживу до того, що буду мати задоволення побачити теплорода, похований разом з флогістоном в одній труні" 7. Нагадаємо, що флогістоном називали газ, який вважали основою вогню. Флогістон приписувалася така ж роль у поясненні хімічних реакцій, як теплорода в поясненні теплових явищ. Опровергателем теорії флогістону виступив Антуан Лавуазьє, який, однак, спас "теплорода", вважав його повноправним елементом у своїй таблиці хімічних простих тіл.
Розгляд процесів перетворення роботи тертя в тепло створив усі необхідні передумови для заперечення теплородной теорії. Тим не менше, цього заперечення не відбулося. Теплородная теорія проіснувала ще значно довго, незважаючи на досліди Румфорда. Для вироблення закону збереження і перетворення енергії не менш важливими з'явилися дослідження зворотних процесів з перетворення теплоти в роботу, тобто з дослідження функціонування теплових машин.
Прийнято вважати, що перша парова машина була винайдена грецьким вченим і математиком Героном.
Це так звана еоліпіл (грец. - вітряної куля) Герона. Герон намагався використовувати рушійну "силу" тепла для полегшення праці. Однак відкриття Герона не отримало практичного застосування. Добре відомо, з яким упередженням ставилися греки до подібного роду винаходам, які ними розглядалися як спроби обману істинної природи і вважалися негідними.
По суті, розвиток теплових машин пов'язане з виготовленням знарядь війни - ракет і гармат. На жаль, в історії еволюції людського суспільства чимало сторінок, які свідчать про те, що виникнення нових машин, механізмів, технологій зумовлювалося військовими інтересами, і лише пізніше вони отримували застосування для полегшення мускульного мануфактурного праці людини (лат. - manu - рукою, factus - зроблено ). Іншою важливою причиною виникнення і практичного застосування парових машин послужила необхідність видобутку палива - кам'яного вугілля з шахт, що перебувають під водними пластами. Потрібно було відкачувати воду з шахт. І так вийшло, що діяльність перших конструкторів теплових пристроїв була пов'язана з видобутком палива. Перший паровий насос, службовець для відкачування води з шахт, був сконструйований власником однієї з шахт в Англії, Томасом Сейрю в кінці XVII століття. Паровий насос Севері в удосконалених видах використовувався аж до середини XVIII століття. Більш досконалу парову машину побудував англієць Томас Ньюкомен, що працював разом з Севері. Машина Ньюкомена вже мала основні деталі сучасної парової машини - циліндр і поршень. Головне нововведення полягала в тому, що в машині Ньюкомена пар тиснула не безпосередньо на поверхню води, а на поршень у циліндрі. Відомо, що Ньюкомен листувався з видатним фізиком Робертом Гуком, і ця ідея, можливо, була підказана Гуком.
Головний недолік перших парових машин полягав у тому, що, по-перше, вони споживали багато палива, по-друге, це не були машини безперервної дії. Дійсна епоха парових машин починається з машини Уатта, як це і підноситься практично у всіх підручниках історії. Машина Уатта винайдена в 1763 році шотландським механіком Джеймсом Уаттом. Основна ідея Уатта полягала у зменшенні втрат тепла в машині за рахунок поперемінного нагрівання і охолодження циліндра. У тому ж 1763 російським винахідником І. Молзуновим, що працював механіком на алтайських гірничорудних і металургійних заводах, була винайдена перша парова машина безперервної дії.
Широке застосування парових машин в XVIII-XIX століттях послужило також поштовхом для створення саморушних пристроїв. У 1807 році в Америці Фультоном будується перший пароплав, а в 1825 році в Англії починає діяти побудована Стефенсоном залізниця. На порядок денний постає і опитування про те, якими шляхами можна було б збільшити роботу парової машини, тобто виникла необхідність теоретичного аналізу процесів перетворення теплоти в роботу. Це завдання виконав французький інженер Саді Карно в 1827 році в роботі "Міркування про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу". Робота ця виходила на загальноприйнятій в той час точці зору про теплородной природу теплоти, тим не менш, саме вона стала фундаментальною для розвитку термодинаміки. Свою роботу Карно починає такими словами: "Ніхто не сумнівається, що теплота може бути причиною руху, що вона навіть має великий рухової силою: парові машини, нині такі поширені, є цьому очевидними доказами".
Отже, у 1827 році був зроблений абсолютно ясний висновок про те, що теплота і механічна робота оборотні одна в іншу. Однак суперечка про те, що є теплота - рух або субстанція-теплорода - до кінця дозволений не був. Для торжества кінетичної точки зору важливо було встановити механічний еквівалент теплоти. Строго кількісне співвідношення для випадку перетворення механічної роботи в теплоту було вперше визначено німецьким лікарем Робертом Майєром.
Майєр визначив, що кількість теплоти, необхідне для нагрівання одиниці маси газу на один градус, що здійснюється при постійному тиску (С), завжди більше, ніж кількість теплоти, необхідне для нагрівання одиниці маси речовини на один градус при постійному обсязі (Cv). Нагрівання при постійному тиску відрізняється від нагрівання при постійному обсязі тим, що зміна обсягу газу при розширенні супроводжується штовханням поршня, тобто вчиненням роботи. Якщо нагрівання при постійному обсязі йде тільки на збільшення внутрішньої енергії газу, то нагрівання при постійному тиску, крім такого ж збільшення внутрішньої енергії газу, супроводжується також вчиненням механічної роботи. Якщо розглядати теплоту як "силу", міркував Майєр (а під "силою" він розумів те, що згодом стало називатися енергією), то тоді зрозуміло, чому С більше, ніж С. Більш того, якщо знайти, на скільки С більше, ніж Су, і зіставити отриманий результат з величиною досконалої роботи, то можна отримати механічний еквівалент теплоти. Цей результат Майєр обчислив в 1841 році. А в 1845 році в роботі "Органічне рух у зв'язку з обміном речовин" він вперше дає формулювання закону збереження і перетворення енергії. Правда, він вживає іншу термінологію, використовуючи поняття "сила руху", "сила падіння", "хімічна сила", "теплота", "електрика" і т. д. Зараз ми замінили б слово "сила" словом "енергія". "Сила як причина руху є незруйновані об'єктом, ніяка дія не виникає без причини. Жодна причина не зникне без відповідного їй дії ... Кількісна незмінність цього є верховний закон природи ... Різні сили можуть перетворюватися один в одного. Ця сила у вічній зміні циркулює як в мертвій, так і в живій природі ". "При всіх фізичних і хімічних процесах дана сила залишається постійною величиною" 10. Таким чином, Майєр визначив механічний еквівалент теплоти, відкинув теплорода як речову субстанцію, визначив теплоту як "силу" руху і сформулював закон збереження і перетворення "сил". Однак при визначенні механічного еквівалента теплоти він не точно виконав розрахунок. І важливе місце в історії розвитку науки про теплові явища зайняли результати дослідів Джоуля, які були пророблені з такою ретельністю, що надали переконливе вплив на уми сучасників, зламавши, в кінці кінців, їх опір. Досвід Джоуля полягав у тому, що опускається вантаж обертав лопатку, занурену в різні рідини. У результаті рідина перемішувалася, що призводило до збільшення температури суміші, яку Джоуль вимірював термометром. Зіставляючи значення механічної роботи опускається вантажу з кількістю теплоти, необхідної для нагрівання суміші рідин на відповідну температуру, Джоуль дуже точно визначив значення механічного еквівалента теплоти.
Честь відкриття механічної теорії тепла з Майєром і Джоулем поділяє також датський інженер Кольдінг, поставив експеримент з вимірювання теплоти, що виділяється при русі тіл з різною швидкістю по металевих, дерев'яних і іншим поверхням внаслідок тертя.
Цикл відкриттів 40гХ років XIX століття був певною мірою підкріплений роботою Германа Гельмгольца "Про збереження сили", що вийшла в 1847 році. Герман Гельмгольц, німецький лікар і природознавець, згодом став одним із видатних фізиків XIX століття. У своїй роботі Г. Гельмгольц надає принципу збереження строгу і чітку форму. Він вводить нову кількісну характеристику, яка дорівнює роботі за величиною, але береться з протилежним знаком. Ця характеристика відповідає сучасному поняттю потенційної енергії. Гельмгольц назвав її напругою, а замість величини mV 2 він пропонує розглядати як "живої сили" величину mV 2 / 2 і отримує закон збереження механічної "сили":
жива сила + напруга = const (постійно)
"Сума існуючих у природі напружених сил і живих сил постійна. У цій найбільш загальному формулюванні ми можемо наш закон назвати принципом збереження сил" 11.
Треба сказати, що Майер надавав законом збереження не просто немеханічних характер, на відміну від Гельмгольца, який сформулював, по суті, закон збереження механічної енергії, а й поширив його як на "мертву" (що включає фізичні і хімічні процеси), так і на "живу "природу. Однак сувора формулювання Гельмгольца дозволяла вийти за рамки механіки і додати згодом закону збереження універсальний характер.
Роботами Майера, Джоуля, Кольдінга і Гельмгольца був вироблений "закон збереження сил". Тим не менш, перша ясне формулювання цього закону була отримана Рудольфом Клаузіусом і Вільямом Томсоном (лордом Кельвіном), які внесли найбільш значний внесок у розвиток термодинаміки. Саді Карно поклав початок новому методу розгляду перетворення теплоти і роботи один в одного в макроскопічних системах, в першу чергу, в теплових машинах, і тим самим з'явився засновником науки, яка згодом була названа Вільямом Томсоном "термодинамікою". Термодинамічне розгляд обмежується, в основному, вивченням особливостей перетворення теплової форми руху в інші форми, не цікавлячись питанням мікроскопічного руху частинок, складових речовин.
Історія відкриття закону збереження і перетворення енергії призвела до вивчення теплових явищ у двох напрямках: термодинамічній, що вивчає теплові процеси без урахування молекулярної будови речовини, і молекулярно-кінетичному. Молекулярно-кінетична теорія стала розвитком згадуваної вище кінетичної теорії речовини (альтернативної теплородной). Вона характеризується розглядом різних макропроявленій систем як результатів сумарного дії величезної сукупності хаотично рухаються молекул. При цьому молекулярно-кінетична теорія використовує статистичний метод, цікавлячись не рухом окремих молекул, а тільки середніми величинами, які характеризують рух величезної сукупності частинок. Звідси інша її назва - статистична фізика. Оформившись до середини XIX століття, обидва ці напрямки, підходячи до розгляду зміни стану речовини з різних точок зору, доповнюють один одного, утворюючи одне ціле.
До тих пір, поки Клаузіус і Томсон, досліджуючи більш докладно роботу теплової машини Карно, не прийшли до висновку (незалежно один від одного) про те, що в основі циклу Карно лежать два незалежних принципу - перше і друге початку термодинаміки, не можна було з твердою упевненістю прийняти закон збереження енергії. По суті, роботи Джоуля, Маєра і Кольдінга встановлюють перший початок термодинаміки. Клаузіус перший висловлював думку про еквівалентність роботи і кількості теплоти як про перший початку термодинаміки і записав рівняння, яке не містилася в роботі Карно. Треба було зробити висновок про те, що всяке тіло має внутрішню енергію, яку Клаузіус називав "теплом, що містяться н тілі" (U), на відміну від "тепла", повідомленого тіла "(Q).
У 1860 році Вільям Томсон, замінивши терміном "енергія" застарілий термін "сили", записує перший початок термодинаміки, що він називає "основним положенням механічної теплоти":
кількість теплоти, повідомлене газу = збільшення внутрішньої енергії газу + скоєння зовнішньої роботи. Слід ще раз підкреслити важливе значення встановлення еквівалентності теплоти і роботи. Саме розуміння кількості теплоти як міри зміни внутрішньої енергії сприяло встановленню закону збереження і перетворення енергії.
4. Взаємоперетворення різних видів енергії один в одного
Встановленню закону збереження і перетворення енергії сприяло також відкриття ефектів, відмінних від механічних і теплових, а також перетворення інших форм руху в теплову енергію. Ще Майєр у своїй роботі становить таблицю всіх розглянутих їм "сил" природи і призводить 25 випадків їх взаємоперетворення. Розглянувши перетворення теплоти в механічну роботу, що має місце у функціонуванні парової машини, він
говорить про електричну "силу" та перетворення механічного ефекту в "електрика", про "хімічної силі речовини", про перетворення "хімічної сили" в теплоту і електрику. Він поширює положення про збереження і перетворення цих різних "сил" природи на живі організми, стверджуючи, що при поглинанні їжі в організмі постійно відбуваються хімічні процеси, результатом яких є теплові і механічні ефекти.
Дослідження електричних явищ давали серйозні підстави для підкріплення висновку про взаємоперетворення різних форм руху один в одного. У 1800 році Воль винаходить перший хімічний джерело електричного струму. У 1840 році російський академік Гесс отримує важливі результати, що свідчать про перетворення хімічних "сил" в теплоту. Роботи Фарадея і Ленца призводять до відкриттів про перетворення електрики і магнетизму. Вивчення процесів, що відбуваються в контактах двох металевих провідників, пророблених Пельтье і Ленцем, свідчить про взаємоперетвореннях електричної "сили" і теплоти. У 1845 році Джоуль встановлює співвідношення між величиною кількості теплоти, що виділяється при проходженні електричного струму через провідник, і величиною самого струму і опору провідника (закон Джоуля-Ленца). Отже, протягом більше чотирьох десятиліть формувався один з самих великих принципів сучасної науки, що призвів до об'єднання самих різних явищ природи. Принцип цей говорить, що існує певна величина, яка називається енергією, яка не змінюється ні за яких перетвореннях, що відбуваються в природі. Винятків із закону збереження енергії не існує. Істориками науки відкриття закону збереження і перетворення енергії розглядається як перша революція у фізиці.
Список літератури
1. Чанишева А.Н. Курс лекцій з стародавньої філософії. М., 2008
2 Азерніков В.З. Невипадкові випадковості. Розповіді про великі відкриття і видатних вчених. М., 2006
3. Бернал Дж. Наука в історії суспільства. М., 2007
4. Юкава X. Лекції з фізики. М., 2006
5. Александров Г.Ф. Концепції сучасного природознавства. М., 2007
6. Кудрявцев П.С. Сучасне природознавство. Курс лекцій. М., 2007