Закон збереження енергії. Історія та суть наукового відкриття

ВАЖЛИВІ НАУКОВІ ВІДКРИТТЯ
Безкоштовна бібліотека / Довідник / Найважливіші наукові відкриття

Закон збереження енергії. Історія та суть наукового відкриття

Найважливіші наукові відкриття

Довідник / Найважливіші наукові відкриття

Найважливішим досягненням природознавства є встановлення закону збереження енергії. Значення цього закону виходить далеко за межі приватного фізичного закону. Замість закону збереження мас цей закон утворює наріжний камінь наукового матеріалістичного світогляду, висловлюючи факт незнищеності матерії та руху. Власне, філософські передумови для такого твердження вже були очевидними. Вони були і в античних філософів, особливо атомістів, і в Декарта, і особливо конкретно і чітко переглядалися у Ломоносова.

В 1807 член Паризької Академії наук французький фізик і хімік Жозеф Луї Гей-Люссак, вивчаючи властивості газів, поставив досвід. До цього було відомо, що стиснутий газ, розширюючись, охолоджується. Вчений припустив, що це може бути тому, що теплоємність газу залежить від його обсягу. Він вирішив перевірити це. Гей-Люссак змусив газ розширюватися з посудини в порожнечу, тобто іншу посудину, з якої попередньо відкачали повітря.

На подив усіх вчених, які спостерігали за досвідом, ніякого зниження температури не відбулося, температура всього газу не змінилася. Отриманий результат не виправдав припущення вченого, і не зрозумів сенсу досвіду. Гей-Люссак зробив велике відкриття та не зміг його помітити.

Дуже важливу роль у розвитку вчення про перетворення сил природи відіграли дослідження російського вченого Еміля Християновича Ленца, що примикають у цьому відношенні до досліджень Фарадея. Його чудові роботи з електрики мають явну енергетичну спрямованість і суттєво сприяли зміцненню закону. Тому з повним правом Ленц займає одне з перших місць у плеяді творців та укріплювачів закону збереження енергії.

Першим сформулював цей великий закон природознавства німецький лікар Роберт Майєр.

Роберт Юлій Майєр (1814–1878) народився у Гейльбронні у ній аптекаря. Після закінчення середньої школи Майєр вступив до Тюбінгенського університету на медичний факультет. Тут він не слухав математичних та фізичних курсів, зате ґрунтовно вивчив хімію у Гмеліна. Закінчити університет у Тюбінгені без перерви йому не вдалося. За участь у забороненій сходці його заарештували. У в'язниці Майєр оголосив голодування і на шостий день після арешту було звільнено під домашній арешт. З Тюбінгена Майєр поїхав до Мюнхена, потім до Відня. Зрештою, у січні 1838 року йому дозволили повернутися на батьківщину. Тут він склав іспити та захистив дисертацію.

Незабаром Майєр прийняв рішення вступити на голландський корабель, що вирушає до Індонезії, як судновий лікар. Ця подорож відіграла важливу роль у відкритті. Працюючи в тропіках, він зауважив, що колір венозної крові у жителів жаркого клімату яскравіший і червоніший, ніж темний колір крові у жителів холодної Європи. Майєр правильно пояснив яскравість крові у жителів тропіків: унаслідок високої температури організму доводиться виробляти менше теплоти. Адже у спекотному кліматі люди ніколи не мерзнуть. Тому в спекотних країнах артеріальна кров менше окислюється і залишається майже такою ж червоною, коли переходить у вени.

У Майєра виникло припущення: чи не зміниться кількість теплоти, що виділяється організмом, при окисленні однієї і тієї ж кількості їжі, якщо організм, крім виділення теплоти, буде ще робити роботу? Якщо кількість теплоти не змінюється, то з однієї і тієї ж кількості їжі можна отримати більше, то менше тепла, так як роботу можна перетворити на тепло, наприклад, шляхом тертя.

Якщо кількість теплоти змінюється, то робота і теплота зобов'язані своїм походженням одному й тому джерелу - окисленої в організмі їжі. Адже робота та теплота можуть перетворюватися одна на одну. Ця ідея одразу дала можливість Майєру зробити ясним та загадковий досвід Гей-Люссака.

Якщо теплота і робота взаємно перетворюються, то при розширенні газів у порожнечу, коли він не виконує жодної роботи, тому що немає ніякої сили тиску, що протидіє збільшенню його обсягу, газ не повинен охолоджуватися. Якщо ж при розширенні газу йому доводиться виконувати роботу проти зовнішнього тиску, його температура повинна знижуватися. Але якщо теплота і робота можуть перетворюватися один на одного, якщо ці фізичні величини подібні, виникає питання про співвідношенні між ними.

Майєр спробував дізнатися: скільки потрібно роботи для виділення певної кількості теплоти та навпаки? На той час було відомо, що для нагрівання газу при постійному тиску, коли газ розширюється, потрібно більше тепла, ніж нагрівання газу в замкнутій посудині. Тобто теплоємність газу при постійному тиску більша, ніж при постійному обсязі. Ці величини були добре відомі. Але встановлено, що вони залежать від природи газу: різниця між ними майже однакова всім газів.

Майєр зрозумів, що ця різниця в теплоті обумовлена тим, що газ, розширюючись, робить роботу. Роботу одного молячи газу, що розширюється, при нагріванні на один градус визначити неважко. Будь-який газ при малій щільності можна вважати ідеальним – його рівняння стану було відоме. Якщо нагріти газ на градус, то при постійному тиску його обсяг зросте на якусь величину.

Таким чином, Майєр знайшов, що для будь-якого газу різниця теплоємності газу при постійному тиску та теплоємності газу при постійному обсязі є величина, яка називається постійна газова. Вона залежить від молярної маси та температури. Тепер це рівняння має його ім'я.

Одночасно з Майєром і незалежно від нього закон збереження та перетворення енергії розроблявся Джоулем и Гельмгольцем.

Механічний підхід Гельмгольца, який він сам був змушений визнати вузьким, дав можливість встановити абсолютний захід для "живої сили" і розглядати різноманітні форми енергії або у вигляді кінетичної ("живих сил"), або потенційної ("сил напруги").

Кількість перетвореної форми руху можна виміряти величиною тієї механічної роботи, наприклад, по підняттю вантажу, яку можна було б отримати, якщо весь весь рух витратити на це підняття. Експериментальне обгрунтування принципу полягає, передусім, у доказі кількісної визначеності цієї роботи. Цим завданням і були присвячені класичні досліди Джоуля.

Джемс Прескот Джоуль (1818–1889) – манчестерський пивовар – почав з винаходу електромагнітних апаратів. Ці прилади та явища, з ними пов'язані, стали конкретним яскравим проявом перетворюваності фізичних сил. Насамперед Джоуль досліджував закони виділення тепла електричним струмом. Так як досліди з гальванічними джерелами (1841) не давали можливості встановити, чи теплота, що розвивається струмом у провіднику, тільки перенесеною теплотою хімічних реакцій в батареї, то Джоуль вирішив поставити експеримент з індукційним струмом.

Він помістив у замкнуту посудину з водою котушку із залізним осердям, кінці обмотки котушки приєднувалися до чутливого гальванометра. Котушка приводилася у обертання між полюсами сильного електромагніта, обмоткою якого пропускався струм від батареї. Число оборотів котушки досягало 600 за хвилину, при цьому поперемінно чверть години обмотка електромагніту була замкнута, чверть розімкнена. Тепло, яке виділялося внаслідок тертя, у другому випадку віднімали з тепла, що виділяється в першому випадку. Джоуль встановив, що кількість тепла, що виділяється індукційними струмами, пропорційна квадрату сили струму. Так як в даному випадку струми виникали внаслідок механічного руху, Джоуль дійшов висновку, що тепло можна створювати за допомогою механічних сил.

Далі Джоуль, замінивши обертання рукою обертанням, що виробляється падаючим вантажем, встановив, що "кількість теплоти, яка в змозі нагріти 1 фунт води на 1 градус, дорівнює і може бути перетворена на механічну силу, яка в змозі підняти 838 фунтів на вертикальну висоту в 1 фут". Ці результати і були зведені в роботі "Про тепловий ефект магнітоелектрики та механічне значення тепла", доповіданої на фізико-математичній секції Британської асоціації 21 серпня 1843 року.

Нарешті, у роботах 1847-1850 років Джоуль розробляє свій головний метод, який увійшов до підручників фізики. Він дає найбільш досконале визначення механічного еквівалента тепла. Металевий калориметр встановлювався на дерев'яній лаві. Усередині калориметра проходить вісь, що несе лопаті або крила. Ці крила розташовані у вертикальних площинах, що утворюють кут 45 градусів один з одним (вісім рядів). До бокових стінок у радіальному напрямку прикріплені чотири ряди пластинок, що не перешкоджають обертанню лопатей, але перешкоджають руху всієї маси води. З метою теплової ізоляції металева вісь розділена на дві частини дерев'яним циліндром. На зовнішньому кінці осі є дерев'яний циліндр, на який намотуються дві мотузки в однаковому напрямку, що залишають поверхню циліндра в протилежних точках. Кінці мотузок прикріплені до нерухомих блоків, осі яких лежать на легких коліщатках. На осі намотані мотузки, що несуть вантажі. Висота падіння вантажів відраховується по рейках.

Далі Джоуль визначав еквівалент, вимірюючи теплоту, що виділяється при терті чавуну об чавун. На осі в калориметрі оберталася чавунна платівка. Уздовж осі вільно ковзають кільця, що несуть рамку, трубку і диск, формою пригнаний до чавунної пластинки. За допомогою стрижня та важеля можна зробити тиск і притиснути диск до платівки. Останні виміри механічного еквівалента Джоуль виробляв вже 1878 року.

Розрахунки Майєра та досліди Джоуля завершили двохсотрічну суперечку про природу теплоти. Доведений на досвіді принцип еквівалентності між теплотою і роботою можна сформулювати наступним чином: у всіх випадках, коли з теплоти з'являється робота, витрачається кількість тепла, що дорівнює отриманій роботі, і навпаки, при витраті роботи виходить та ж кількість тепла. Цей висновок було названо Першим законом термодинаміки.

Відповідно до цього закону, роботу можна перетворити на тепло і навпаки - теплоту на роботу. Причому обидві ці величини дорівнюють один одному. Висновок цей справедливий для термодинамічного циклу, в якому система має бути приведена до вихідних умов. Таким чином, для будь-якого кругового процесу досконала система робота дорівнює отриманій системою теплоті.

Відкриття Першого закону термодинаміки довело неможливість винаходу вічного двигуна. Закон збереження енергії спочатку і називали - " вічний двигун неможливий " .

Автор: Самін Д.К.

Рекомендуємо цікаві статті розділу Найважливіші наукові відкриття:

▪ Закон простих об'ємних відносин

▪ лазер

▪ Географічні центри походження культурних рослин

Дивіться інші статті розділу Найважливіші наукові відкриття.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву

Щит для місячної бази 23.09.2005

Американські вчені пропонують захищати місячну базу за допомогою електромагнетизму. Одна з головних небезпек, що чатує на майбутніх колоністів на Місяці, - електрично заряджені частинки: електрони, протони і голі ядра, що летять із величезною швидкістю від Сонця і далеких наднових. Як з ним упоратися?

Ядерні реактори, наприклад, укривають бетонними блоками. Якби на супутнику була вода, захисні бункери вдалося б побудувати з льоду та місячного пилу.

Чарльз Бюлер та Джон Лейн із НАСА запропонували несподіваний та простий спосіб – використати силове поле. Відводити небезпечну радіацію від поселенців будуть 5-6 надувних куль, що проводять, діаметром близько п'яти метрів, заряджених до сотні мегавольт. Напруга величезна, але струми дуже малі, тому що заряд на сферах статичний, і для його підтримки не потрібно багато енергії.

Сфери, покриті найтоншим шаром золота, вчені пропонують виготовити з тонкого та міцного матеріалу вектрану, з якого виготовлені кулі, що пом'якшили нещодавні посадки марсоходів. Один ряд таких сфер відштовхуватиме позитивно заряджені частинки з космосу, а інший ряд, ближче до бази, - негативно заряджені.

Інші цікаві новини:

▪ Ген червоного пір'я

▪ Миші SteelSeries Prime Mini та Prime Mini Wireless

▪ Мобільний телефон V80 від Motorola

▪ Воскресіння мамонтів

▪ Інтелектуальний контроль покришок

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Довідкові матеріали. Добірка статей

▪ стаття Шульга. Крилатий вислів

▪ стаття Як швидко Харон рухається над поверхнею Плутона? Детальна відповідь

▪ стаття Мацерон. Легенди, вирощування, способи застосування

▪ Генератор намальованого сигналу. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Перший КВ приймач. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages of this page

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт