Открытие закона сохранения энергии

Открытие закона сохранения и превращения энергии. Книги по истории онлайн. Электронная библиотека Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно и установление механического эквивалента теплоты сыграли основную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии. Однако это открытие было подготовлено всем ходом развития физики в первой половине Открытие закона сохранения энергии в. Все большее и большее место в физических исследованиях занимали исследования открытие закона сохранения энергии, в которых имело место превращение различных форм движения друг в друга. Исследования химических, тепловых, световых действий электрического тока, изучение его пондермоторного действия, изучение процессов превращения теплоты в работу и т. Эта идея вызревала и начинала вступать в конфликт со взглядами, основанными на концепции «невесомых». Эту идею все чаще высказывают различные ученые и нужен был один шаг, чтобы эта идея оформилась в физический закон. Этот шаг был сделан многими учеными. Интересно отметить, что ряд из них не были специалистами физиками в момент открытия закона сохранения и превращения энергии. Основную роль в установлении закона сохранения и превращения энергии сыграли: немецкий врач Майер, немецкий ученый Гельмгольц бывший в то время врачом и физиологом и лишь затем ставший физиком и, наконец, англичанин Джоуль, занимавшийся физическими исследованиями. Роберт Майер Роберт Майер 1814—1878 занимался медициной и физиологией. Исследуя это явление, Майер решил, что причиной этого служит различие в разности температур человеческого тела и окружающей среды. Размышляя над этим вопросом, он и пришел в конце концов к общей идее о неразрушимости «сил природы» и о способности их превращаться друг в друга. Свои взгляды и выводы Майер впервые изложил в открытие закона сохранения энергии «О количественном и открытие закона сохранения энергии определении сил». Здесь под словом «сила» Майер понимает то, что в дальнейшем стали называть энергией. Этот термин он сохраняет и в открытие закона сохранения энергии своих работах. Силы, по Майеру,— причины, изменяющие взаимное отношение между веществами тел. Из законов логики и принципа причинности, по Майеру, следует, что силы — неуничтожимые объекты, но изменяющиеся по открытие закона сохранения энергии качествам. Наука, «изучающая вид бытия сил физикадолжна считать количество своих объектов неизменными и только качество их изменяющимся» 1, — полагает Майер. Далее открытие закона сохранения энергии пишет: «. Так, например, за меру механического движения он принимал не кинетическую энергию, а количество движения. Указанную работу Майер предполагал напечатать в физическом журнале «Annalen der physik». Однако редактор журнала Поггендорф отказался ее опубликовать. Статья носила общий полуфилософский характер и не содержала каких-либо конкретных экспериментальных или теоретических результатов. В том же 1841 г. Майер написал новую работу по тому же вопросу и, учитывая свой неудачный опыт, послал ее в химико-фармацевтический журнал «Annalen der Chemie und Pharmacie», где она и была напечатана в 1842 г. В этой статье, также в основном носящей общий характер, Майер уже более обстоятельно развил свои идеи и не допускал ошибочных положений, которые содержались в первой статье. Новым важным моментом было то, что, говоря о превращении механической энергии в теплоту, Майер впервые устанавливает существование механического эквивалента теплоты. Необходимо ответить на вопрос, как велико соответствующее определенному количеству силы падения или движения количество тепла. Например, мы должны были определить, как высоко должен быть поднят определенный груз над поверхностью земли, чтобы его сила падения была эквивалентна нагреванию равного ему по весу количества воды с 0 до 1°» 3. Майер опубликовал книгу «Органическое движение открытие закона сохранения энергии его связи с обменом веществ», где более подробно изложил учение о сохранении и превращении энергии «силы», по его открытие закона сохранения энергии. Более подробно основные положения Майера заключаются в следующем. В природе, полагал он, имеются два рода причин: одним открытие закона сохранения энергии свойство весомости и непроницаемости — это материя, другая группа причин — это силы. Материя и силы неразрушимы. Это следует из принципа, что причина всегда равна действию, которое, в свою очередь, является причиной для последующего действия. Одновременно причины способны принимать различные формы. «Причины есть количественно неразрушимые и качественно способные к превращениям объекты». В связи с этим и силы — неразрушимые, способные к превращениям объекты. В природе существуют несколько качественно различных «сил». Во-первых, движение: «Движение есть сила». Эта сила измеряется величиной живой открытие закона сохранения энергии. При соударении упругих тел общая сумма «живых сил» остается постоянной. Другой силой является «сила падения». Под этой силой Майер подразумевает потенциальную энергию поднятого тела. Она измеряется произведением веса на высоту. При падении «сила падения» и «сила движения» взаимно превращаются друг в открытие закона сохранения энергии. Общая же их сумма остается постоянной. Тепло также является «силой». Она может быть превращена в механическое движение, и наоборот. Превращение механического эффекта общее название, по Майеру, для кинетической и потенциальной энергии в теплоту и наоборот происходит всегда в строго эквивалентных количествах. В работе «Органическое движение и обмен веществ» Майер приводит более точное значение механического эквивалента теплоты чем в статье 1842 г. Формой проявления физической силы является также электричество. В случае трения механическая энергия может превращаться в электричество. Майер приводит пример с электрофором, справедливо отмечая, что при удалении верхней пластинки приходится затрачивать механическую работу против электрической силы помимо работы против силы тяжести. Кроме перечисленных сил существует еще «химическая сила». Этой силой, по Майеру, обладают химические вещества, способные соединяться, будучи разобщенными: химически раздельное существование, или химическая разность веществ, есть «сила». Майер рассматривает примеры взаимопревращаемости «сил»: механического движения в теплоту и электричество, электричества — в теплоту и «механический эффект», теплоты — в электричество и т. Майер понимал, что его теория не только является новой, но и противоречит существующим взглядам. Поэтому он специально высказывается против представления о невесомых. Он пишет: «Выскажем великую истину: не существует никаких нематериальных материй. Мы прекрасно сознаем, что мы ведем борьбу с укоренившимися и канонизированными крупнейшими авторитетами гипотезами, что мы хотим вместе с невесомыми жидкостями изгнать из учения о природе все, что осталось от богов Греции; однако мы знаем открытие закона сохранения энергии, что природа в ее простой истине является более великой и прекрасной, чем любое создание человеческих рук, чем все иллюзии сотворенного духа» 4. Первые работы Майера не обратили на себя внимания физиков. Напечатаны они были не в физических журналах, в значительной открытие закона сохранения энергии носили общий характер, не говоря уже о том, что они находились в противоречии с господствующей теорией теплорода и вообще с представлениями о невесомых. Начиная с 1841 г. Джоуль занимался исследованием выделения теплоты электрическим -током. В это время, в частности, он открыл закон, независимо от него установленный также Ленцем закон Джоуля—Ленца. Исследуя затем общее количество теплоты, выделяемой во всей цепи, включая и гальванический элемент, за определенное время, он определил, что это количество теплоты равно теплоте химических реакций, протекающих в элементе за то же время. У него, Джоуля, складывается мнение, что источником теплоты, выделенной в цепи электрического тока, являются химические процессы, проходящие в гальваническом элементе, а электрический ток как бы разносит эту теплоту по всей цепи. Он писал, что «электричество может открытие закона сохранения энергии как важный агент, который переносит, упорядочивает изменяет химическое тепло» 5. Но источником электрического тока может служить также и «Электромагнитная машина». Как в этом случае нужно рассматривать теплоту, выделяемую электрическим током? Джоуль задается также вопросом: что будет, если в цепь с открытие закона сохранения энергии элементом включить магнитоэлектрическую машину т. Джемс Прескотт Джоуль Продолжая исследования в этом направлении, Джоуль и пришел к новым важным результатам, которые изложил в работе. «Тепловой эффект магнитоэлектричества и механическая ценность теплоты», опубликованной в 1843 г. Прежде всего Джоуль исследовал вопрос о количестве теплоты, выделяемой индукционным током. Для этого он поместил проволочную катушку открытие закона сохранения энергии железным сердечником в трубку, которая была наполнена водой, и вращал ее в магнитном поле, образованном полюсами магнита рис. Измеряя величину индукционного тока гальванометром, соединенным с концами проволочной катушки при помощи ртутного коммутатора, и одновременно определяя количество теплоты, выделенной током в трубке, Джоуль пришел к заключению, что индукционный ток, как и гальванический, выделяет теплоту, количество которой пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению. Установка Джоуля магнит на чертеже не указан Рис. Установка Джоуля для определения механического эквивалента теплоты Затем Джоуль включил проволочную катушку, помещенную в трубку с водой, в гальваническую цепь. Вращая ее в противоположных направлениях, он измерял силу тока в цепи и выделенную при этом теплоту за определенный промежуток времени, так что катушка играла один раз роль электродвигателя, а другой раз — генератора электрического тока. Сравнивая затем количество выделенной теплоты с теплотой химических реакций, протекающих в гальваническом элементе, Джоуль пришел к заключению, что «теплота, обусловленная химическим действием, подвержена увеличению или уменьшению» и что «мы имеем, следовательно, в магнитоэлектричестве агента, способного обычным механическим средством уничтожать или возбуждать теплоту» 6. В том же году Джоуль сообщил об опыте, в котором механическая работа непосредственно превращалась открытие закона сохранения энергии теплоту. В дальнейшем Джоуль вновь возвращался открытие закона сохранения энергии экспериментальному определению механического эквивалента теплоты. С помощью падающих грузов он заставлял ось с лопастями вращаться внутри калориметра, наполненного жидкостью рис. Открытие механического эквивалента теплоты привело Джоуля к открытию закона сохранения и превращения энергии. В лекции, прочитанной им в 1847 г. Все трое, следовательно, — именно, теплота, живая сила и притяжение на расстоянии к которым я могу причислить свет. Причем при этих превращениях ничего не теряется» 7. Герман Гельмгольц 1821—1894 —врач и физиолог по образованию, сразу после-окончания Медико-хирургического института занимался исследованиями в области физиологии, в частности, связанными с вопросом преобразования различных форм энергии в живом организме. Эти исследования привели к вопросу: «какие отношения должны существовать между различными силами природы, если принять, что perpetuum mobile вообще невозможен? Работая над этой проблемой, Гельмгольц также пришел к открытию закона сохранения и превращения энергии. Он написал работу, которую Поггендорф также отказался напечатать в свом журнале; она была опубликована отдельной книгой в 1847 г. Гельмгольц исходит из хорошо всем известного закона сохранения «живых сил», который, безусловно, действителен для центральных сил. Он пишет: «Когда тела природы действуют друг на друга притягательными и отталкивательными силами, не зависящими от времени и скорости, то сумма их живых сил и сил напряжения остается постоянной, открытие закона сохранения энергии что максимум полученной работы будет, следовательно, величиной определенной и конечной» 9. Здесь под «силой напряжения» Spannkraft Гельмгольц понимал потенциальную энергию. Однако закон сохранения живых сил действует только в механике, да и то лишь для случая консервативных сил Гельмгольц ограничивал первоначально его действие центральными силами. Герман Гельмгольц Для того чтобы перейти теперь к общему закону сохранения «сил» так Гельмгольц, подобно Майеру, называет энергиюон полагает, что все явления природы в конечном итоге сводятся к движению и расположению материальных тел, между которыми открытие закона сохранения энергии центральные силы. Пока что в подобных рассуждениях Гельмгольца по существу нового ничего нет. Так многие думали и до него и в его время. И если бы он ограничился этими рассуждениями, то его заслуга в открытии закона сохранения и превращения энергии свелась бы к нулю. Главное, что он исследовал, как, по его мнению, закон сохранения «живых сил» проявляется во всех физических явлениях: в механике, теплофизике, электродинамике и т. Он фактически изучил вопрос о превращении разных видов энергии в физических процессах, хотя рассматривал эти формы как проявление «живой силы» или «силы напряжения». Гельмгольц исследовал сначала процессы превращения энергии в рамках механики, т. Затем он рассматривает процессы превращения механического движения в теплоту, ссылаясь при этом на открытие Джоулем механического эквивалента теплоты. После этого Гельмгольц переходит к электрическим явлениям. При разряде эта энергия превращается в теплоту, которая выделяется в проводнике, замыкающем пластинки конденсатора. Гельмгольц открытие закона сохранения энергии исследует энергетические процессы в гальванической цепи; рассматривает работу электрического тока и выделяемую в цепи теплоту используя закон Джоуля — Ленцаа также случай, когда в цепь включен термоэлемент. Рассматривая электромагнитые явления, используя при этом закон сохранения энергии, Гельмгольц получил выражение закона электромагнитной индукции. Он рассматривал замкнутый контур с током и движущийся под действием этого тока магнит. За малый промежуток времени dt в системе происходят следующие изменения. Во-первых, батарея, поддерживающая в цепи ток I, производит работу, равную εldt, где ε —электродвижущая сила батареи. Во-вторых, в цепи за этот промежуток открытие закона сохранения энергии выделяется количество теплоты, равное I 2Rdt, где R — сопротивление цепи. И, наконец, изменяется взаимное расположение магнита и контура с током, что приводит, как полагал Гельмгольц, к изменению «живой силы» магнита. Изменение этой «живой силы» должно быть равно IdV, где V — потенциальная функция, введенная Нейманом. Если учесть, что величина V равна потоку магнитной индукции через контур, то, как мы видим, получен закон электромагнитной индукции 10. В конце работы Гельмгольц останавливается на вопросе о применимости принципа сохранения «силы» к органическим процессам и решает его положительно. В заключение он пишет: «Я думаю, что приведенные данные доказывают, что высказанный открытие закона сохранения энергии не противоречит ни одному из известных в естествознании фактов и поразительным образом подтверждается большим числом их. Сам Гельмгольц в своих воспоминаниях писал: «Я был. Якоби, принявший мою сторону» 12 Однако, несмотря на холодный прием, который встретили первоначально работы Майера, Гельмгольца и Джоуля, их общая идея получала все большее и большее распространение и применение в практике физических исследований. Мысль о том, что открыт новый очень важный физический закон и даже больше — общий естественнонаучный закон, постепенно овладевает умами ученых. В развитии основных положений Майера, Джоуля и Гельмгольца важную роль сыграли работы английских ученых Ранкина и немецкого физика Прежде всего открытие закона сохранения и превращения энергии сыграло решающую роль в последующих исследованиях процессов превращения теплоты в работу, которые привели к открытие закона сохранения энергии основ термодинамики. Закон сохранения и превращения энергии получает применение и в других областях физики, например в исследованиях по электродинамике. Томсон уже в 1848 г. Он показал независимо от Гельмгольцачто «общая работа, потраченная на произведение движения, вызывающего электромагнитную индукцию, должна быть эквивалентна механическому эффекту, потерянному током» 13. Позже Томсон, используя закон сохранения и превращения энергии, снова исследовал явление электромагнитной индукции, а затем и явление самоиндукции, открытие закона сохранения энергии при этом, что энергия проводника с током может быть выражена открытие закона сохранения энергии Li 2 122, где L — величина, зависящая только от геометрии проводника названная позже коэффициентом самоиндукции. Исследуя вопрос об энергии магнитов и токов, Томсон в 1853 г. Клаузиус применил закон сохранения и превращения энергии к электрическим явлениям. В работе «О механическом эквиваленте электрического разряда и происходящем при этом нагревании проводников» Клаузиус писал: «. В том же году Клаузиус применил закон сохранения энергии к энергетическим процессам в цепи постоянного тока, а в следующем году — к термоэлектрическим явлениям. Помимо Томсона и Клаузиуса над развитием и применением закона сохранения и превращения энергии работал Ранкин. Он первым начал широко пользовать термин «энергия» и попытался дать понятию энергии общее определение. Под энергией Ранкин понимает способность производить работу. Определяя понятие энергии, он писал в 1855 г. Еще раньше, в 1853 г. Он писал: «Актуальная, или Ощутимая sensibleЭнергия — это измеримое, переносимое и превратимое состояние, побуждающее субстанцию изменять свое состояние. Когда такое измеиение происходит, то актуальная энергия исчезает и заменяется Потенциальной, или Скрытой LatentЭнергией, которая измеряется величиной изменения состояния, сопротивлением против которого это изменение совершается» 16. К «Актуальной» энергии Ранкин относит «живую силу», теплоту, лучистую теплоту, свет, химическое действие и электрический ток, которые являются ее различными формами; к потенциальной энергии — «механическую силу гравитации», упругость, химическое сродство, энергию статического электричества и магнетизма. Томсон, который сначала пользовался введенным Ранкином термином «актуальная энергия», впоследствии заменил его на «кинетическую энергию». Уже в открытие закона сохранения энергии годах закон сохранения и превращения энергии был признан как общий закон природы, охватывающий все физические явления. Теперь начинаются спора о приоритете его открытия. Все началось с небольшой полемики между Майером и Джоулем на страницах французского журнала «Comptes rendus» еще в 1847— 1849 гг. Майер в статье «О механическом эквиваленте открытие закона сохранения энергии, излагая историю открытия, писал: «Новая теория начала вскоре привлекать к себе внимание ученых. Но так как ее стали рассматривать и у нас в Германии и за границей как исключительно иностранное открытие, то это побудило меня выставить свои права на приоритет» 17. Гельмгольц впервые упоминает работы Майера, а в 1852 г. «Утверждение о неразрушимости работы механических сил и эквивалентности различных естественных сил с определенной величиной механической работы,— писал Гельмгольц,— впервые высказал Майер» 18. Во весь голос в защиту приоритета Майера выступил в 1862 г. Клаузиус 19 писал о Тиндале: «Темой для своего доклада он избрал сочинения Майера и в обычной для него увлекательной форме изложил все основные выводы работ Майера. Когда публика, в сильнейшей степени заинтересовавшаяся данным вопросом, естественно, пожелала узнать, кому принадлежат все эти исследования, Тиндаль назвал имя человека, который, живя в маленьком немецком городке, без всякой научной поддержки и поощрения с удивительной энергией и настойчивостью работал над развитием своих гениальных мыслей» 20. Против признания приоритета Майера резко выступил английский физик Тэт в журнале «Good Words». Возражая Тиндалю, он отказался признать какие бы то ни было заслуги Майера. Между Тэтом и Тиндалем развернулась полемика. На ее откликнулись Гельмгольц и Клаузиус. Если Гельмгольц весьма осторожно защищал Майера, то Клаузиус резко возражал Тэту по поводу одной из его статей. Он писал, что эта статья может только повредить «Вашей собственной столь высокой научной репутации. Любой читатель с первого взгляда увидит, что это не нелицеприятное ирторическое изложение вопроса, чего бы следовал о ожидать от ученого вашего ранга, а проникнутая партийностью статья, написанная только для прославления некоторых немногих лиц» 21. В дальнейшем Тэт продолжал выступать против приоритета Майера. Создан и экспериментально доказан был закон сохранения энергии в его общем виде бесспорно Кольдингом в Копенгагене и Джоулем в Манчестере» 22. В Германии, хотя на сторону Майера встал Клаузиус и в какой-то степени Гельмгольц, Майер продолжал подвергаться нападкам, которые иногда принимали форму сплетен. Поггендорф в своем большом биографическом словаре 1863 в заключение более чем скромной статьи о Майере писал: «. Правда в конце книги он поместил дополнительную «справку» о Майере: «Не умер. Наконец, в защиту приоритета Майера выступил Дюринг 24, который одновременно принижал роль Джоуля и Гельмгольца в открытии закона сохранения и превращения энергии, что также не способствовало укреплению приоритета Майера. Борьба вокруг приоритета Майера была связана с борьбой вокруг понимания существа самого закона сохранения и превращения энергии. Майер подходил к пониманию этого закона с более широких философских позиций, чем многие из его современников и особенно ученые, подобные Тэту, придерживавшиеся узко эмпирических представлений о познании. Майер был несомненно революционером в науке, стоял в ряде вопросов на стихийно диалектических позициях, непонятных для многих его современников, которые не могли отойти от метафизического мировоззрения. Впервые правильно оценил заслуги Майера Энгельс. Отдавая дань Гельмгольцу, Энгельс тем не менее указывал: «. Уже в 1842 г. Майер утверждал «неуничтожимость силы», а в 1845 г. В другом месте Энгельс отметил: «. Зато превращение формы движения открыто только в 1842 г. Именно Майер впервые подчеркивал существование качественных превращений различных форм энергии друг в друга, а не просто утверждал ее количественное постоянство. Это и было наиболее важным, с точки зрения общего мировоззрения, открытие закона сохранения энергии установленном законе сохранения и превращения энергии, и как раз это обстоятельство ускользало от внимания многих ученых того времени, которые пытались просто подвести новый закон под общее механическое мировоззрение, толкуя его, подобно Гельмгольцу, как выражение закона сохранения живых сил. Установление закона сохранения и превращения энергии открытие закона сохранения энергии революционным шагом открытие закона сохранения энергии развитии физической науки и науки вообще. Этот закон связывал воедино все физические явления, ликвидируя метафизические перегородки между отдельными областями физики, закрепленные учением о «невесомых», которому теперь пришел конец. «Невесомые» материи были окончательно изгнаны из физики. Из науки была устранена случайность наличия такого-то и такого-то открытие закона сохранения энергии физических сил, ибо были доказаны их взаимная связь и переходы друг в друга» 27. Энгельс придавал большое значение установлению закона сохранения и превращения энергии для правильного диалектико-материалистического воззрения открытие закона сохранения энергии мир, ставя его в один ряд с открытием клетки и теорией Дарвина: «Благодаря этим трем великим открытиям и открытие закона сохранения энергии громадным успехам естествознания, — писал он. Таким образом, с помощью фактов, доставленных самим эмпирическим естествознанием, можно в довольно систематической форме дать общую картину приводы как связного целого» 28. Открытие закона сохранения энергии сохранения и превращения энергии. Закон сохранения и превращения энергии, с. Закон сохранения и превращения энергии, с. The scientific papers Vol. На это обратил внимание Максвелл см. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. Mathematical and Physical papers. Закон сохранения и превращения энергии, открытие закона сохранения энергии. Fortschritte der Physik, Письмо Тиндаля, в котором он просил сообщить ему о сочинениях Манера, заставило Клаузиуса подробно позмакомяться с работами Майера, в результате чего он резко изменил свое мнение. Об этом он сообщил Тиндалю, посылая ему работы, написанные Майером. Robert Mayer, der Galilei des 19.