РЕФЕРАТ
по курсу "Концепции современного естествознания"
по теме: "Закон сохранения энергии в макроскопических процессах"
1. "Живая сила"
Энергией называется единая мера различных форм движения. Мы так часто пользуемся этим термином в своей повседневной жизни, что не задумываемся о том центральном месте, которое занимает это понятие в структуре современного естествознания, являясь, по существу, фундаментом всего здания современной физики.
Энергия проявляется во множестве различных форм, обыкновенная заводная игрушка, с которой связано наше  детство, обладает энергией. Энергия приводит в движение автомобиль, обогревает дома, дает возможность производить всевозможные изделия, добывать необходимые полезные ископаемые, изготавливать удобрения и т. д. Мы уже привыкли к рекламным роликам и знаем, что нам покупать на прилавках магазинов, чтобы в стольких-то калориях получить "свежее дыхание" или "заряд бодрости на целый день". Кусочек шоколада, булка хлеба и другие продукты питания обладают энергией. Весной все вокруг зеленеет и расцветает, и это тоже следствие того, что растения потребляют солнечную энергию. Все живое вокруг обязательно должно потреблять энергию, чтобы жить.
Нашим однопланетянам повезло. Потому что без энергии, излучаемой Солнцем, не было бы жизни на планете Земля. Миллиарды лет тому назад Солнце пробудило жизнь на Земле и неустанно поддерживало ее, щедро посылая нам свою энергию. Однако подобное расточительство когда-либо окончится, запасы водорода, обеспечивающие протекание реакций термоядерного синтеза на Солнце, в конце концов, иссякнут. Перед человечеством неизбежно возникнет проблема переселения, возможно, даже в другую галактику. Важно найти звезду, более молодую, и разместиться на удобной планете неподалеку от нее. Думать об этом не мешало бы уже сейчас. Вот почему проблема освоения космоса является глобальной проблемой, стоящей перед человечеством.
Но все это задачи далекого будущего. А сегодня нас волнует вопрос использования энергетических ресурсов Земли. Мы постоянно слышим, что цивилизация человеческого общества связана со все увеличивающимся ростом потребления энергии. Запасы топлива — нефти, угля, древесины и др. не безграничны. И на повестку дня ставится вопрос о дальнейшем развитии атомной энергетики.
Мы с удовольствием характеризуем известных нам людей, говоря: "Очень энергичный молодой человек" или "С Вашей-то энергией горы своротить можно".
Итак, энергия проявляется во всех этих формах. Собственно, само понятие энергии было выработано именно в поисках связей между различными формами движения материи. Переход энергии из одной формы в другую означает, что энергия в данной ее форме исчезает, превращается в энергию в иной форме. И вот тут-то кроется самое главное, что определяет энергию как фундаментальное понятие естествознания. Оказывается, что при любых процессах, происходящих в изолированной системе, полная энергия системы не изменяется. То есть переход энергии из одной формы в другую происходит с соблюдением количественной эквивалентности. Для количественной характеристики различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепловая), электромагнитная, химическая, ядерная и т. д. Закон сохранения энергии — закон, управляющий всеми явлениями природы, исключений из него науке неизвестно.
Характерно, что, являясь центральным понятием в физике, само формирование понятия энергии есть вместе с тем история открытия закона сохранения и превращения энергии. Так что в структуру физической теории понятие энергии вошло лишь к середине XIX века.
Термин "eveptstoc" в качестве физического понятия встречается у Аристотеля. Аристотель был первым античным философом, создавшим понятийный аппарат для определения того, что есть движение. Движение трактуется Аристотелем как средний термин, как переход от возможности к действительности, от потенции к деятельности. Термин " £V£p7£icx " употребляется Аристотелем для характеристики деятельности по осуществлению способности, то есть переход от потенции в ее реализацию, деятельность (например, строительство). Можно было бы сделать вывод о том, что прямой связи между "evepyekx" Аристотеля и современным содержанием этого понятия нет. Однако существенным является то, что "evepteicc" появляется у Аристотеля именно в связи с попыткой охарактеризовать движение в качестве общей категории, описывающей все виды, роды движения.
Само представление о превращениях различных видов движения, о неуничтожимости движения содержится и в древней мифологии, и в философии Древней Греции и Востока. Идея о неуничтожимости и несотворимости движения возродилась в Новое время и стала принимать более определенные, научные формы в XVII веке.
В связи с изучением механического движения и формирования механистической исследовательской программы мысль о неуничтожимости и несотворимости движения была первоначально сведена к представлению о несотворимости и неуничтожимости именно механического движения. Изучение механического движения сразу же привело к дилемме, какой величиной "mV" или "mV2
" следует измерять механическое движение и какая из этих величин сохраняется в процессе взаимодействия тел? Здесь m означает массу тела, а величина V — скорость тела. Величина "mV" введена Декартом и названа им количеством движения. Величина "mV2
" введена в Лейбницем и названа "живой силой" — "vis viva", хотя еще ранее в теории упругого удара Гюйгенсом и Вреном было установлено сохранение величины "mV2
".
Между последователями Декарта и Лейбница возник спор о том, какому из понятий следует отдать предпочтение при изучении механического движения, какая из величин сохраняется в процессе взаимодействия — количество движения или "живая сила"? Разрешение этой полемики последовало только с открытием закона сохранения при превращении механической энергии в другие формы движения. При исследовании удара двух тел было установлено не только сохранение "живой силы" в случае упругого удара, но и потеря ее при неупругом ударе. Приоритет этого открытия принадлежит Валлису.
Надо отметить, что понятие "живой силы" коренным образом отличалось от понятия силы в ньютоновской механике. Ньютоновская сила имеет свое конкретное место в системе понятий физики и рассматривается как причина изменения состояния движения тела. Ньютон подчеркивал внешний по отношению к материи характер механических сил, то есть в понятии силы заключалась мысль о внешнем источнике движения, отделенном от материи. Именно такое понимание приводит к представлению о различных силах, рассматриваемых в качестве внешних агентов, в качестве активного начала, приводящего в движение пассивную материю. Отсюда и название "живая сила", которая связывается с представлением об активном начале любого движущегося тела, в противоположность "мертвой силе", активном начале, запасенном в каком-либо покоящемся теле.
Понятие силы играет центральную роль в механике Ньютона. Сам Ньютон не ставил перед собой задачи о создании механики, которая выводилась бы из какого-либо принципа сохранения некоторой меры движения. Что касается "живой силы", то Ньютон обращал внимание на факт несохранения движения в случае неупругого удара или трения.
Таким образом, хотя наука XVII века выработала представление об энергии в виде "живой силы", а более чем через 100 лет, в 1829 году, Кориолис рассмотрел величину, равную половине "живой силы" mV2/2, которая определяет кинетическую энергию в современной структуре научного знания; понятие энергии, как, впрочем, и понятие работы, отсутствовали в механике Ньютона и вплоть до XIX века не фигурировали в учебниках физики.
Термин "энергия" в смысле динамической переменной появился лишь в 1807 году в работе Юнга "Курс лекций по натуральной философии", понятие "работ" подробно развито в труде Ж.В. Понселе "Введение в индустриальную механику".
Юнг ввел понятие энергии для обозначения "живой силы", не выводя это понятие за рамки механистического описания явлений природы. Сама задача расширения этого понятия на другие формы движения, задача категориального обоснования этого понятия и установления отличия его от понятия количества движения стала возможной лишь благодаря исследованиям переходов немеханического движения в другие виды движения. Усилиями ученых XVII-XIX веков были открыты и качественно исследованы связи между:
механическим движением и теплотой;
химическими явлениями и электричеством;
механическим движением и электричеством;
электричеством и магнетизмом;
химическими явлениями и теплотой;
теплотой и электричеством и т. д.
Результаты этих исследований и привели к открытию закона сохранения и превращения энергии. Остановимся вкратце на рассмотрении этих результатов.
2. Работа в механике. Закон сохранения и превращения энергии в механике
Формирование понятия механической энергии было связано с формированием понятия механической работы.
Зададимся вопросом, каким образом можно было бы сообщить телу кинетическую энергию mV2
/2? Ее можно передать телу при столкновении, как это имело место в случае удара шаров. Но ее можно также получить, подталкивая тело с помощью действия некоторой силы. Пусть некоторое тело под действием силы F выходит из состояния покоя и движется со все увеличивающейся скоростью в течение некоторого времени t. За это время скорость тела возрастает до значения V, и тело проходит некоторое расстояние х. Можно показать, используя законы механики, что справедливо равенство:
Fx = mV2
/2
Величину Fx, равную произведению силы на расстояние, на котором она действовала на тело, принято называть работой А:
А= Fx
Теперь попробуем выяснить, входят ли работа и энергия как составные части в один и тот же закон сохранения? Или, выражаясь иначе, если над телом совершается работа, благодаря чему увеличивается кинетическая энергия тела, сможет ли тело потом за счет своего запаса кинетической энергии произвести столько же работы?
Ответ положителен. Если на пути движущегося тела окажется какое-то другое тело, скажем, пружина, то тело, налетая на пружину, будет сжимать ее, создавая перемещение ее звеньев относительно друг друга, то есть будет действовать на пружину с некоторой силой. В конце концов, тело остановится, растратив всю свою энергию движения на совершение работы по сжатию пружины. Вслед за этим пружина начнет расширяться и будет толкать тело назад. То есть при своем расширении пружина совершит работу над телом, которая вся уйдет на увеличение кинетической энергии тела после остановки. Если пружина хорошая, упругая, то можно будет констатировать практическое равенство кинетической энергии тела до и после взаимодействия с пружиной.
Чувствуется, что в наших рассуждениях пропущено некоторое звено. А именно, возникает вопрос: "В те мгновения, когда пружина сжата, и тело уже не действует на нее с силой, перемещая ее, то есть не совершает в эти мгновения работу; само тело в эти мгновения покоится, так как запас ее кинетической энергии уже растрачен на совершение работы по сжатию пружины. Так что в эти мгновения ни работа не совершается, ни тело не имеет более кинетической энергии. Так куда же все это подевалось?" Мы отчетливо видим, что пружина перешла в другое качественное состояние: из недеформированного состояния она перешла в сжатое, после чего, разжимаясь, сама совершила работу. Мы приходим к пониманию того, что запас кинетической энергии не пропал бесследно, а перешел в запас энергии, которой обладает пружина в сжатом состоянии, "мертвой силы", как ее первоначально называли. Такую неподвижную форму энергии принято называть потенциальной энергией, как бы подчеркивая, что эта энергия потенциально может перейти в энергию движения.
Самый простой способ запасти такую энергию — это поднять груз на высоту. Когда груз падает, запасенная потенциальная энергия превращается в кинетическую. И наоборот, когда мы испытываем усталость, поднимаясь на высокую горку или же по ступенькам на верхний этаж здания, связано это с тем, что мы постоянно совершаем работу по увеличению потенциальной энергии своего тела, поднимая его на соответствующую высоту.
Обычно термин "потенциальная энергия" относят к энергии, запасенной в деформированном теле, в теле, поднятом на высоту, иными словами, к запасу энергии, обусловленному положением тела в некотором поле и природой самого доля. Современной физике известны четыре типа полей: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Сам факт обусловленности потенциальной энергии наличием полей говорит о несводимости понятия потенциальной энергии просто к механическому движению. Величина потенциальной энергии определяется теми процессами, которые обусловлены конкретной природой взаимодействия системы тел (гравитационным, электромагнитным, сильным или слабым) и зависит от изменения конфигурации тел в соответствующих полях. Потенциальная энергия сжатой пружины, например, выражает собой энергию внутреннего движения частиц, составляющих пружину. Механика не занимается изучением "внутренних сил", связанных со взаимодействием атомов друг с другом, а интересуется конечным результатом. Этот результат может быть вычислен по величине работы, которую нужно затратить, чтобы таким-то образом изменить конфигурацию частей пружины. Запас этой работы и понимается нами как потенциальная энергия пружины. Так что потенциальная энергия входит в механику как понятие, определяющее свойство системы материальных тел совершать работу при изменении конфигурации тел в системе.
Таким образом, работа может быть определена как мера изменения энергии. В ряде случаев работа, совершаемая за счет уменьшения потенциальной энергии тела, практически полностью идет на увеличение кинетической энергии тела. Позже мы укажем на ограниченность нашего примера. Однако именно эти случаи послужили основанием для формулирования закона сохранения и превращения энергии применительно к механическим процессам. Этот закон звучит следующим образом: полная энергия замкнутой консервативной системы тел, равная сумме их потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной. То есть всякое изменение потенциальной и кинетический энергии есть превращение потенциальной энергии в кинетическую, а кинетической в потенциальную. В случае механического движения передача энергии происходит в форме работы в процессе силового взаимодействия тел.
Теперь оговоримся, что всякий физический закон имеет границы своей применимости. Это в первую очередь относится к закону сохранения механической энергии. Первое важное ограничение этого закона состоит в требовании изолированности системы рассматриваемых тел от внешних воздействий. Такую систему мы называем замкнутой. Второе ограничение связано с тем, что не всегда работа однозначно определяется изменением потенциальной энергии тела при перемещении его из одной точки поля в другую. Однозначное определение работы как меры изменения потенциальной энергии имеет место лишь для определенных типов полей, называемых потенциальными. Примерами таких полей могут служить гравитационное или электростатическое поля. Потенциальными считаются поля, работа сил которых не зависит от траектории движения тела в поле. Соответственно силы этих полей называют консервативными. В случае, если работа сил зависит от формы пути или силы зависят от скорости движения, механическая энергия системы не сохраняется. Например, силы трения, которые не являются консервативными, присутствуют во всех случаях. Следовательно, закон сохранения механической энергии имеет смысл лишь применительно к идеализированным ситуациям. Не следует в связи с этим удивляться и делать поспешные выводы типа: "Надо было столько морочить голову каким-то законом, который практически не существует вовсе?" Во-первых, это замечание несправедливо, потому что существует множество явлений, которые допускают при их анализе подобную идеализацию. В этих случаях закон сохранения механической энергии может быть использован с достаточно хорошей степенью точности, разумеется, в малые временные интервалы, когда трение в расчет можно и не принимать. Во-вторых, без установления этого закона было бы очень трудно сделать следующий шаг: выяснить, куда же растрачивается механическая энергия при трении?
Другое дело — попытаться обмануть природу настолько, чтобы создать машину, с помощью которой можно было бы совершать работу без затраты энергии в той или иной форме. Это проблема создания вечного двигателя — "перпетуум-мобиле". История развития человеческого общества особой страницей содержит в себе те, в общем-то, немногочисленные варианты вечных двигателей, свидетельствующих о невероятных ухищрениях человеческого ума. Первый до сих пор известный достоверный документ об "осуществлении" идеи вечного двигателя относится к XIII веку. Еще до установления закона сохранения энергии в 1775 году было сделано заявление французской Академии, в котором говорилось о невозможности создания вечного двигателя. Вследствие чего Академия отказывалась принимать впредь подобные проекты для рассмотрения.
Итак, механическая энергия при трении растрачивается, но куда? Выяснение энергетической стороны таких процессов и составило следующую важную страницу в истории открытий превращения механической энергии в другие формы движения.
3. Внутренняя энергия
О том, что такое теплота, люди задумывались очень давно. Такие понятия, как "огонь", "свет", "теплород", встречаются уже в древнейших сказаниях Востока, а позже в работах античных философов Древней Греции. Однако в те далекие времена были высказаны только общие предположения о природе огня, света и теплоты. И античные философы, и схоласты средневековья рассматривали холод и тепло как разные вещи. Они были далеки от представления о том, что холод следует рассматривать как недостаток тепла, а не как противоположную субстанцию.
Эта точка зрения просуществовала довольно долго. Так, уже в Новое время, в сочинениях Пьера Гассенди, вышедших в 1658 году, теплота и холод трактуются как разные материи. Причем атомы холода, в отличие от атомов тепла, являются острыми; проникая в жидкость, они скрепляют ее, превращают в твердое тело.
Учение о тепловых явлениях начинает развиваться только с середины XVIII века. Толчком для этого развития является изобретение термометра. Интересно отметить, что на протяжении долгого времени между понятиями тепла и температуры не проводилось различия.
Температура — в переводе с латинского означает "смешивание в должном отношении". Это говорит о происхождении самого термина "температура". Дело в том, что не сразу было понято, что здоровые люди имеют практически одну и ту же температуру. Степень нагретости относили к темпераменту человека. Так, во II веке великий врач Гален утверждал, что темперамент человека создается смешением четырех жидкостей. Эти жидкости, играющие важную роль также в учении Гиппократа, отвечают за темперамент человека. Они назывались: кровь, слизь, черная желчь и желтая желчь. При определенном смешивании они порождают сангвиников, флегматиков, меланхоликов и холериков.
Ученым, который первым изобрел прибор для измерения нагретости тела, был Галилей. Конечно, этот прибор был еще далек от совершенства, он даже не был проградуирован. Однако он все же позволял сравнивать температуры тел, находящихся в одном и том же месте и в одно и то же время. Впервые температуру человеческого тела начал измерять итальянский врач и анатом Санторио с помощью им же изобретенного термометра. После Галилея многие ученые занимались изготовлением приборов для определения нагретости нелг итальянские мастера из Флоренции, Отто фон Герике, Амонтон, Гук, Фаренгейт, Цельсий, Реомюр, Делиль и др.
В 1655 году Гюйгенс предложил в качестве опорных точек термометра избрать точку кипения воды и точку таяния льда. Современная шкала Цельсия была предложена шведским ботаником Андерсом Цельсием в 1742 году.
Однако за 0 градусов он принимал точку кипения воды, а за 100 градусов — точку таяния льда, как и Далиль. Такая шкала не завоевала популярности и очень скоро была перевернута обратно.
Сама по себе градуировка термометров доставляла не меньше хлопот, чем конструкция термометров. И это связано с вопросом о том, происходит ли расширение используемых в термометрах жидкостей (воды, спирта, ртути) или газа пропорционально увеличению температуры во всех интервалах интересующих температур. Таким образом, задача усовершенствования термометров явилась толчком для изучения явления расширения тел при нагревании. Однако все эти исследования не разделяли понятия "теплота" и "температура". И температура тела так же, как и теплота связывалась с представлением о теплороде. В "Словаре церковнославянского и русского языка", изданном в середине XIX века, можно прочитать: "Температура есть мера сгущения теплорода, показываемая в градусах термометром". "Теплород - вещественная причина жара, тепла и холода, непостижимо тонкая жидкость, изливающаяся из Солнца и проникающая во все тела физического мира, невидимая, невесомая и только ощущением ощущаемая".
Итак, температуру и теплоту связывали с особым видом невесомой матери — теплородом. Именно присутствие теплорода в теле вызывает нагретость тела. Единица измерения теплоты, дожившая до наших дней, "калория" в переводе на русский язык означает не что иное, как "теплород". Однако так думали не все. В истории развития взглядов на природу теплоты ясно прослеживаются два направления: одно из них связано с представлением о теплороде, а второе связывает сущность тепловых явлений с движением атомов, из которых состоят тела. Это так называемые теплородная и кинетическая теории теплоты. В отношении теплородной теории также существовали две точки зрения. Первая точка зрения — традиционная, согласно которой теплород — "некая жидкость, крайне мелкие частицы которой наделены силой взаимного оттаивания". В этом случае большее или меньшее скопление этой жидкости в телах определяет их состояние". Вторая точка зрения являлась менее популярной, но в ней как бы делалась попытка синтеза кинетической теории с теорией теплорода.
Кинетической теории теплоты придерживались многие ученые. Среди них — Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт, Даниил Бернулли, М. Ломоносов, Л. Эйлер. Однако господствующей на протяжении столетий являлась теплородная теория. Причина этого кроется в том, что вплоть до изготовления паровых машин и их усовершенствования ученые не интересовались вопросом о путях превращения теплоты в механическую работу. Обратные процессы превращения работы в теплоту были известны с незапамятных времен, но они, как казалось, хорошо объяснялись теплородной теорией (вплоть до опытов Румфорда).
Спор между сторонниками теплородной и кинетической теории состоял в следующем: сводится ли представление о теплоте к некоторой субстанции, пусть даже и невесомой, или же теплота есть проявление кинетического движения молекул? А. Эйнштейн и Л. Инфельд отмечают: "В истории физики часто встречаются такие испытания, которые способны произвести приговор о жизни или смерти теории: они называются crucis (круцис, то есть решающими) экспериментами. Решением суда такого эксперимента может быть оправдана только одна теория явлений... Такой решающий эксперимент был произведен Румфордом; он нанес смертельный удар субстанциональной теории теплоты". Надо сказать, что этот эксперимент мог быть поставлен только благодаря и вследствие развития калориметрических исследований — исследований по изучению явлений теплообмена между двумя веществами (однородными с различными температурами, разнородными с различными температурами, в разных фазах и т. д.) при смешивании их в теплоизолированном сосуде — калориметре. В процессе этих опытов, где основная заслуга принадлежит петербургскому академику Георгу Рихману, было установлено, что при смешении жидкостей, даже однородных, устанавливается определенная одинаковая для всей смеси температура. Дальнейшие исследования сконцентрировались в выяснении вопроса, "как распределяется теплота между различными телами". Было установлено, что различные тела имеют различные удельные теплоемкости. Под удельной теплоемкостью вещества понимается количество теплоты (пока еще теплорода) для увеличения температуры единицы массы вещества на один градус. В процессе калориметрических исследований было сделано важное заключение: при исследовании тепловых явлений следует различать такие понятия, как температура и теплота. Так, при превращении, например, льда в воду, теплота расходуется, а температура при этом не изменяется (лед, как и прочие тела, плавится при строго определенной температуре). Вместе с понятием количества теплоты были установлены понятия удельной теплоемкости, теплоемкости, теплоты плавления, теплоты парообразования.
Так, в чем же состоит суть решающего эксперимента, проведенного графом Румфордом? Граф Румфорд (Бенджамин Томсон) ссылался на опыты по выделению теплоты при трении. Это явление хорошо известно с древнейших времен. Оно явилось одной из важнейших предпосылок возникновения человеческой цивилизации. Ибо благодаря трению первобытный человек добывал себе огонь. Тепло-родная теория объясняла выделение теплоты при трении тел друг о друга тем, что при трении тела как бы выжимают из себя теплород, вследствие чего количества теплорода в них, то есть теплоемкость, должны изменяться. Самая известная работа Румфорда "Исследование источника тепла, вызываемого трением" была представлена в Королевское общество в Лондоне в 1798 году. К слову сказать, Румфорд известен как активный политический деятель, выдающийся организатор, внесший значительный вклад в реорганизацию армии. При этом он сохранял постоянный активный интерес к науке и технике. Талантливый экспериментатор, он большое внимание уделял практическим применениям научных знаний. В вышеназванной работе Румфорд привел результаты эксперимента, связанного со сверлением пушечного ствола. В течение 2,5 часов за счет трения было получено количество теплоты, достаточной для превращения в пар 12 килограммов воды при получении всего лишь 270 граммов металлической стружки. Далее было обнаружено, что стружка имеет такую же удельную теплоемкость, как исходный металл отливки. Вследствие полученных результатов Румфорд сделал вывод о том, что теплота не могла быть получена за счет "выжимания" теплорода из металла. "Обсуждая этот предмет, — пишет Румфорд, — мы не должны забывать учета того самого замечательного обстоятельства, что источник теплоты, порожденный трением, оказался в этих экспериментах явно неисчерпаемым.
Совершенно необходимо добавить, что это нечто, которое любое изолированное тело или система тел может непрерывно поставлять без ограничения, не может быть материальной субстанцией; и мне кажется чрезвычайно трудным, если не совершенно невозможным, создать какую-либо точную идею о чем-то, что в состоянии возбуждаться и передаваться, подобно тому как возбуждается и передается в этих экспериментах теплота, если только не допустить, что это что-то есть движение".
Опыты Румфорда были подтверждены также работами Хэмфри Дэви, показавшими, что трение двух кусков льда друг о друга может вызвать их таяние. Румфорд, выражая свое непримиримое отношение к теплородной теории, как-то сказал: "Я удовлетворен тем, что доживу до того, что буду иметь удовольствие увидеть теплород, похороненный вместе с флогистоном в одном гробу"7. Напомним, что флогистоном называли газ, который считали основой огня. Флогистону приписывалась такая же роль в объяснении химических реакций, как теплороду в объяснении тепловых явлений. Опровергателем теории флогистона выступил Антуан Лавуазье, который, однако, спас "теплород", считал его полноправным элементом в своей таблице химических простых тел.
Рассмотрение процессов превращения работы трения в тепло создало все необходимые предпосылки для отрицания теплородной теории. Тем не менее, этого отрицания не произошло. Теплородная теория просуществовала еще значительно долго, несмотря на опыты Румфорда. Для выработки закона сохранения и превращения энергии не менее важными явились исследования обратных процессов по превращению теплоты в работу, то есть по исследованию функционирования тепловых машин.
Принято считать, что первая паровая машина была изобретена греческим ученым и математиком Героном.
Это так называемая эолипил (греч. — ветряной шар) Герона. Герон пытался использовать движущую "силу" тепла для облегчения труда. Однако открытие Герона не получило практического применения. Хорошо известно, с каким предубеждением относились греки к подобного рода изобретениям, которые ими рассматривались как попытки обмана истинной природы и считались недостойными.
По существу, развитие тепловых машин связано с изготовлением орудий войны — ракет и пушек. К сожалению, в истории эволюции человеческого общества немало страниц, свидетельствующих о том, что возникновение новых машин, механизмов, технологий предопределялось военными интересами, и лишь позже они получали применение для облегчения мускульного мануфактурного труда человека (лат. — manu — рукой, factus — сделано). Другой важной причиной возникновения и практического применения паровых машин послужила необходимость добычи топлива — каменного угля из шахт, находящихся под водными пластами. Нужно было откачивать воду из шахт. И так получилось, что деятельность первых конструкторов тепловых устройств была связана с добычей топлива. Первый паровой насос, служащий для откачки воды из шахт, был сконструирован владельцем одной из шахт в Англии, Томасом Сэйри в конце XVII века. Паровой насос Сэвери в усовершенствованных видах использовался вплоть до середины XVIII века. Более совершенную паровую машину построил англичанин Томас Ньюкомен, работавший вместе с Сэвери. Машина Ньюкомена уже имела основные детали современной паровой машины — цилиндр и поршень. Главное новшество состояло в том, что в машине Ньюкомена пар давил не непосредственно на поверхность воды, а на поршень в цилиндре. Известно, что Ньюкомен состоял в переписке с выдающимся физиком Робертом Гуком, и эта идея, возможно, была подсказана Гуком.
Главный недостаток первых паровых машин состоял в том, что, во-первых, они потребляли много топлива, во-вторых, это не были машины непрерывного действия. Действительная эпоха паровых машин начинается с машины Уатта, как это и преподносится практически во всех учебниках истории. Машина Уатта изобретена в 1763 году шотландским механиком Джеймсом Уаттом. Основная идея Уатта заключалась в уменьшении потерь тепла в машине за счет попеременного нагревания и охлаждения цилиндра. В том же 1763 году русским изобретателем И. Молзуновым, работавшим механиком на алтайских горнорудных и металлургических заводах, была изобретена первая паровая машина непрерывного действия.
Широкое применение паровых машин в XVIII-XIX веках послужило также толчком для создания самодвижущихся устройств. В 1807 году в Америке Фультоном строится первый пароход, а в 1825 году в Англии начинает действовать построенная Стефенсоном железная дорога. На повестку дня встает и опрос о том, какими путями можно было бы увеличить работу паровой машины, то есть возникла необходимость теоретического анализа процессов превращения теплоты в работу. Эту задачу выполнил французский инженер Сади Карно в 1827 году в работе "Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". Работа эта основывалась на общепринятой в то время точке зрения о теплородной природе теплоты, тем не менее, именно она явилась фундаментальной для развития термодинамики. Свою работу Карно начинает следующими словами: "Никто не сомневается, что теплота может быть причиной движения, что она даже обладает большой двигательной силой: паровые машины, ныне столь распространенные, являются этому очевидными доказательствами".
Итак, к 1827 году был сделан совершенно ясный вывод о том, что теплота и механическая работа обратимы одна в другую. Однако спор о том, что есть теплота — движение или субстанция-теплород — до конца разрешен не был. Для торжества кинетической точки зрения важно было установить механический эквивалент теплоты. Строго количественное соотношение для случая превращения механической работы в теплоту было впервые определено немецким врачом Робертом Майером.
Майер определил, что количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы газа на один градус, совершаемое при постоянном давлении (С), всегда больше, чем количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества на один градус при постоянном объеме (Cv). Нагревание при постоянном давлении отличается от нагревания при постоянном объеме тем, что изменение объема газа при расширении сопровождается толканием поршня, то есть совершением работы. Если нагревание при постоянном объеме идет только на увеличение внутренней энергии газа, то нагревание при постоянном давлении, помимо такого же увеличения внутренней энергии газа, сопровождается также совершением механической работы. Если рассматривать теплоту как "силу", рассуждал Майер (а под "силой" он понимал то, что впоследствии стало называться энергией), то тогда понятно, почему С больше, чем С . Более того, если найти, на сколько С больше, чем Су, и сопоставить полученный результат с величиной совершенной работы, то можно получить механический эквивалент теплоты. Этот результат Майер вычислил в 1841 году. А в 1845 году в работе "Органическое движение в связи с обменом веществ" он впервые дает формулировку закона сохранения и превращения энергии. Правда, он употребляет другую терминологию, используя понятия "сила движения", "сила падения", "химическая сила", "теплота", "электричество" и т. д. Сейчас мы заменили бы слово "сила" словом "энергия". "Сила как причина движения является неразрушимым объектом, никакое действие не возникает без причины. Никакая причина не исчезнет без соответствующего ей действия... Количественная неизменность данного есть верховный закон природы... Различные силы могут превращаться друг в друга. Эта сила в вечной смене циркулирует как в мертвой, так и в живой природе". "При всех физических и химических процессах данная сила остается постоянной величиной"10. Таким образом, Майер определил механический эквивалент теплоты, отверг теплород как вещественную субстанцию, определил теплоту как "силу" движения и сформулировал закон сохранения и превращения "сил". Однако при определении механического эквивалента теплоты он не точно проделал расчет. И важное место в истории развития науки о тепловых явлениях заняли результаты опытов Джоуля, которые были проделаны с такой тщательностью, что оказали убедительное воздействие на умы современников, сломив, в конце концов, их сопротивление. Опыт Джоуля состоял в том, что опускающийся груз вращал лопатку, погруженную в различные жидкости. В результате жидкость перемешивалась, что приводило к увеличению температуры смеси, которую Джоуль измерял термометром. Сопоставляя значение механической работы опускающегося груза с количеством теплоты, необходимой для нагревания смеси жидкостей на соответствующую температуру, Джоуль очень точно определил значение механического эквивалента теплоты.
Честь открытия механической теории тепла с Майером и Джоулем разделяет также датский инженер Кольдинг, поставивший эксперимент по измерению теплоты, выделяющаяся при движении тел с различной скоростью по металлическим, деревянным и прочим поверхностям вследствие трения.
Цикл открытий 40гХ годов XIX века был в известной мере подкреплен работой Германа Гельмгольца "О сохранении силы", вышедшей в 1847 году. Герман Гельмгольц, немецкий врач и естествоиспытатель, впоследствии стал одним из выдающихся физиков XIX века. В своей работе Г. Гельмгольц придает принципу сохранения строгую и четкую форму. Он вводит новую количественную характеристику, которая равна работе по величине, но берется с противоположным знаком. Эта характеристика соответствует современному понятию потенциальной энергии. Гельмгольц назвал ее напряжением, а вместо величины mV2
он предлагает рассматривать в качестве "живой силы" величину mV2
/2 и получает закон сохранения механической "силы":
живая сила + напряжение = const (постоянно)
"Сумма существующих в природе напряженных сил и живых сил постоянна. В этой наиболее общей формулировке мы можем наш закон назвать принципом сохранения сил"11.
Надо сказать, что Майер придавал закону сохранения не просто немеханический характер, в отличие от Гельмгольца, сформулировавшего, по существу, закон сохранения механической энергии, но и распространил его как на "мертвую" (включающую физические и химические процессы), так и на "живую" природу. Однако строгая формулировка Гельмгольца позволяла выйти за рамки механики и придать впоследствии закону сохранения универсальный характер.
Работами Майера, Джоуля, Кольдинга и Гельмгольца был выработан "закон сохранения сил". Тем не менее, первая ясная формулировка этого закона была получена Рудольфом Клаузиусом и Уильямом Томсоном (лордом Кельвином), которые внесли наиболее значительный вклад в развитие термодинамики. Сади Карно положил начало новому методу рассмотрения превращения теплоты и работы друг в друга в макроскопических системах, в первую очередь, в тепловых машинах, и тем самым явился основателем науки, которая впоследствии была названа Уильямом Томсоном "термодинамикой". Термодинамическое рассмотрение ограничивается, в основном, изучением особенностей превращения тепловой формы движения в другие формы, не интересуясь вопросом микроскопического движения частиц, составляющих веществ.
История открытия закона сохранения и превращения энергии привела к изучению тепловых явлений в двух направлениях: термодинамическом, изучающем тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества, и молекулярно-кинетическом. Молекулярно-кинетическая теория явилась развитием упоминаемой выше кинетической теории вещества (альтернативной теплородной). Она характеризуется рассмотрением различных макропроявлений систем как результатов суммарного действия огромной совокупности хаотически движущихся молекул. При этом молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое ее название — статистическая физика. Оформившись к середине XIX века, оба эти направления, подходя к рассмотрению изменения состояния вещества с различных точек зрения, дополняют друг друга, образуя одно целое.
До тех пор, пока Клаузиус и Томсон, исследуя более подробно работу тепловой машины Карно, не пришли к выводу (независимо друг от друга) о том, что в основе цикла Карно лежат два независимых принципа — первое и второе начала термодинамики, нельзя было с твердой уверенностью принять закон сохранения энергии. По существу, работы Джоуля, Майера и Кольдинга устанавливают первое начало термодинамики. Клаузиус первым высказывал мысль об эквивалентности работы и количества теплоты как о первом начале термодинамики и записал уравнение, которое не содержалось в работе Карно. Надо было сделать вывод о том, что всякое тело имеет внутреннюю энергию, которую Клаузиус называл "теплом, содержащимся н теле" (U), в отличие от "тепла", сообщенного телу" (Q).
В 1860 году Уильям Томсон, заменив термином "энергия" устаревший термин "силы", записывает первое начало термодинамики, которое он называет "основным положением механической теплоты":
количество теплоты, сообщенное газу = увеличению внутренней энергии газа + совершению внешней работы. Следует еще раз подчеркнуть важное значение установления эквивалентности теплоты и работы. Именно понимание количества теплоты как меры изменения внутренней энергии способствовало установлению закона сохранения и превращения энергии.
4. Взаимопревращения различных видов энергии друг в друга
Установлению закона сохранения и превращения энергии способствовало также открытие эффектов, отличных от механических и тепловых, а также превращения других форм движения в тепловую энергию. Еще Майер в своей работе составляет таблицу всех рассматриваемых им "сил" природы и приводит 25 случаев их взаимопревращений. Рассмотрев превращение теплоты в механическую работу, имеющее место в функционировании паровой машины, он
говорит об электрической "силе" и превращении механического эффекта в "электричество", о "химической силе вещества", о превращении "химической силы" в теплоту и электричество. Он распространяет положение о сохранении и превращении этих различных "сил" природы на живые организмы, утверждая, что при поглощении пищи в организме постоянно происходят химические процессы, результатом которых являются тепловые и механические эффекты.
Исследования электрических явлений давали серьезные основания для подкрепления вывода о взаимопревращении различных форм движения друг в друга. В 1800 году Воль изобретает первый химический источник электрического тока. В 1840 году русский академик Гесс получает важные результаты, свидетельствующие о превращении химических "сил" в теплоту. Работы Фарадея и Ленца приводят к открытиям о превращении электричества и магнетизма. Изучение процессов, происходящих в контактах двух металлических проводников, проделанных Пельтье и Ленцем, свидетельствует о взаимопревращениях электрической "силы" и теплоты. В 1845 году Джоуль устанавливает соотношение между величиной количества теплоты, выделяемой при прохождении электрического тока через проводник, и величиной самого тока и сопротивления проводника (закон Джоуля-Ленца). Итак, на протяжении более четырех десятилетий формировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явлений природы. Принцип этот гласит, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Исключений из закона сохранения энергии не существует. Историками науки открытие закона сохранения и превращения энергии рассматривается как первая революция в физике.
Список литературы
1. Чанышев А.Н. Курс лекций по древней философии. М., 2008
2 Азерников В.З. Неслучайные случайности. Рассказы о великих открытиях и выдающихся ученых. М., 2006
3. Бернал Дж. Наука в истории общества. М., 2007
4. Юкава X. Лекции по физике. М., 2006
5. Александров Г.Ф. Концепции современного естествознания. М., 2007
6. Кудрявцев П.С. Современное естествознание. Курс лекций. М., 2007
|
