Otkriće zakona održanja energije. Školska enciklopedija

Važnu ulogu u otkrivanju zakona održanja i transformacije energije odigrali su radovi E.Kh. Lenza i, posebno, njegovo otkriće zakona o smjeru inducirane struje i principa reverzibilnosti električnih strojeva. Važan preduvjet za otkriće zakona održanja i transformacije energije bio je uspjeh biologije. Razbijen je mit o posebnoj „životnoj sili“ u ljudskim i životinjskim tijelima. Uspostavljena je direktna veza između količine konzumirane hrane i sposobnosti za obavljanje posla.

VIDJETI VIŠE:

Zakon održanja energije nije otkrio fizičar, već doktor.

1840. godine, na ostrvu Java, brodski lekar, Nemac Robert Majer, otvorio je venu pacijentu i... na svoj užas, otkrio je da ne teče tamna krv, već grimizna! Da li je zaista završilo u arteriji umesto u veni?! Doktorov strah je objašnjen činjenicom da grimizna krv teče kroz arterije iz srca - to je krv ispunjena kiseonikom. I nazad u srce, krv teče kroz vene. Venska krv zadržava malo kiseonika, zbog čega je njena boja tamnocrvena. Krvarenje iz arterije je smrtonosno.

Međutim, lokalni liječnici su uvjerili Mayera: objasnili su da je ovdje, u tropima, venska krv ljudi ista grimizna kao i njihova arterijska krv.

„Zašto se ovo dešava? - Mayer misli. - Možda je činjenica da je temperatura vazduha ovde skoro jednaka temperaturi ljudskog tela... Telo ne treba da troši snagu (u to vreme energije naziva se i snaga!) za održavanje tjelesne temperature, pa kisik ostaje u krvi – na kraju krajeva, sagorijevanje kisika daje snagu. Ali to znači tu snagu sacuvan : samo se mijenja iz jedne vrste u drugu, ali nikada ne nestaje niti se pojavljuje ni iz čega.”

Razvijajući svoju ideju, Mayer je proučavao sve njemu poznate transformacije energije - kinetičku u potencijalnu i obrnuto, mehaničku energiju u unutrašnju i unutrašnju energiju u mehaničku, te je ispitivao električnu i hemijsku energiju.

Nezavisno od Mayera, ali nekoliko godina kasnije, zakon održanja energije otkrili su engleski fizičar James Joule i njemački prirodnjak Hermann Helmholtz.

Svi ovi naučnici bili su vrlo mladi kada su došli do svog velikog otkrića: Mayer je imao 28 godina, Joule 25, a Helmholtz 26 godina.

Mnogo prije otkrića Mayera, Joulea i Helmholtza, istaknuti ruski naučnik Mihail Vasiljevič Lomonosov došao je veoma blizu otkrića zakona održanja energije.

Ali, nažalost, Lomonosovljevi radovi dugo su ostali nepoznati evropskim naučnicima.

Ideju o međusobnoj konverziji mehaničke i unutrašnje energije izrazio je, također prije otkrića Mayera, Joulea i Helmholtza, fizičar i inženjer Thompson, koji je postao poznat kao grof Rumford.

Osnovno značenje zakona održanja energije

Zakon održanja energije je “osnovni zakon prirode, utvrđen empirijski, da se energija izolovanog (zatvorenog) fizičkog sistema održava tokom vremena.” Drugim riječima, energija ne može nastati iz ničega i ne može nestati u ništa, može samo prelaziti iz jednog oblika u drugi.

Sa fundamentalne tačke gledišta, prema Noetherovoj teoremi, zakon održanja energije je posljedica homogenosti vremena i u tom smislu je univerzalan, odnosno inherentan sistemima vrlo različite fizičke prirode. Drugim riječima, za svaki konkretan zatvoreni sistem, bez obzira na njegovu prirodu, moguće je odrediti određenu količinu koja se zove energija, koja će se tokom vremena očuvati. Štaviše, ispunjenje ovog zakona održanja u svakom konkretnom sistemu opravdava se podređenošću ovog sistema njegovim specifičnim zakonima dinamike, koji se generalno razlikuju za različite sisteme.

Budući da se zakon održanja energije ne primjenjuje na određene količine i pojave, već odražava opći obrazac koji je primjenjiv svuda i uvijek, ispravnije ga je nazvati ne zakonom, već principom održanja energije.

Sa matematičke tačke gledišta, zakon održanja energije je ekvivalentan tvrdnji da sistem diferencijalnih jednačina koje opisuju dinamiku datog fizičkog sistema ima prvi integral kretanja povezan sa simetrijom jednačina u odnosu na vreme smjena.

Prema Noetherovoj teoremi, svaki zakon održanja povezan je sa određenom simetrijom jednačina koje opisuju sistem. Konkretno, zakon održanja energije je ekvivalentan homogenosti vremena, odnosno nezavisnosti svih zakona koji opisuju sistem od trenutka kada se sistem razmatra.

Zaključak ove tvrdnje može se izvesti, na primjer, na osnovu Lagranžovog formalizma. Ako je vrijeme homogeno, onda Lagrangeova funkcija koja opisuje sistem ne ovisi eksplicitno o vremenu, stoga njen ukupni izvod s obzirom na vrijeme ima oblik:

Ovdje je Lagrangeova funkcija, generalizirane koordinate i njihovi prvi i drugi izvod s obzirom na vrijeme, respektivno. Koristeći Lagrangeove jednadžbe, izvode zamjenjujemo izrazom:

Prepišimo posljednji izraz u obliku

Iznos u zagradi se, po definiciji, naziva energijom sistema i, pošto je njen ukupni izvod u odnosu na vrijeme jednak nuli, on je integral kretanja (odnosno, očuvan je).

Istorija otkrića zakona održanja i transformacije energije

Godine 1841. ruski naučnik Lenz i Englez Joule, gotovo istovremeno i nezavisno jedan od drugog, eksperimentalno su dokazali da se toplota može stvoriti mehaničkim radom. Joule je definirao mehanički ekvivalent topline. Ove i druge studije pripremile su otkriće zakona održanja i transformacije energije. Godine 1842-1845 Njemački naučnik R. Mayer formulirao je ovaj zakon na osnovu generalizacije prirodnih nauka o mehaničkom kretanju, elektricitetu, magnetizmu, hemiji, pa čak i fiziologiji čovjeka. U isto vrijeme, slične ideje su izražene u Engleskoj (Grove) i Danskoj (Kolding). Nešto kasnije, ovaj zakon je razvio Helmholtz (Nemačka)

Stavovi o toploti kao obliku kretanja najsitnijih „neosetljivih“ čestica materije izraženi su još u 17. veku. F. Bacon, Descartes, Newton, Hooke i mnogi drugi došli su do ideje da je toplota povezana s kretanjem čestica materije. Ali Lomonosov je razvio i branio ovu ideju sa svom potpunošću i sigurnošću. Međutim, bio je sam; njegovi savremenici su prešli na stranu kalorijskog koncepta, a kao što smo videli, ovaj koncept su delili i mnogi istaknuti naučnici 19. veka.

Činilo se da su uspjesi eksperimentalne termofizike, a prije svega kalorimetrije, svjedočili u prilog kaloričnosti. Ali isti XIX vek. doneo vizuelni dokaz o povezanosti toplote i mehaničkog kretanja. Naravno, činjenica da se toplota stvara trenjem poznata je od pamtivijeka. Zagovornici toplote u ovom fenomenu vide nešto slično naelektrisanju tela trenjem – trenje pomaže da se kalorija istisne iz tela. Međutim, 1798. godine Benjamin Thompson (1753-1814), koji je 1790. postao grof Rumford, napravio je važno zapažanje u minhenskim vojnim radionicama: prilikom bušenja kanala u topovskoj cijevi oslobađa se velika količina topline. Da bi precizno istražio ovaj fenomen, Rumfoord je eksperimentisao sa bušenjem kanala u cilindru koji je mašinski obrađen od metala. Tupa bušilica je postavljena u izbušeni kanal, čvrsto pritisnuta uz zidove kanala i stavljena u rotaciju. Termometar umetnut u cilindar pokazao je da je u roku od 30 minuta rada temperatura porasla za 70 stepeni Farenhajta. Rumford je ponovio eksperiment tako što je uronio cilindar i bušilicu u posudu s vodom. Tokom procesa bušenja voda se zagrijala i proključala nakon 2,5 sata. Rumford je ovaj eksperiment smatrao dokazom da je toplina oblik kretanja.

Davy je ponovio svoje eksperimente o dobivanju topline trenjem. Otopio je led trljajući dva komada jedan o drugi. Davy je došao do zaključka da kaloričnu hipotezu treba napustiti i toplinu treba posmatrati kao oscilatorno kretanje čestica materije.

Prema Mayeru, svi pokreti i promjene u svijetu generirani su „razlikama“ koje stvaraju sile koje nastoje da unište te razlike. Ali kretanje ne prestaje, jer su sile neuništive i obnavljaju razlike. “Dakle, princip prema kojem su jednom date sile kvantitativno nepromjenjive, poput supstanci, logično nam osigurava kontinuirano postojanje razlika, a time i materijalnog svijeta.” Ova formulacija koju je predložio Mayer lako je podložna kritici. Pojam „razlike“ nije precizno definisan, nejasno je šta se podrazumeva pod pojmom „sila“. Ovo je predosjećaj zakona, a ne sam zakon. Ali iz daljeg izlaganja jasno je da on pod silom razumije uzrok kretanja, koji se mjeri proizvodom mase i brzine. “Kretanje, toplota i elektricitet su pojave koje se mogu svesti na jednu silu, koje se međusobno mjere i pretvaraju jedna u drugu prema određenim zakonima.” Ovo je vrlo određena i jasna formulacija zakona održanja i transformacije sile, tj. energije.

Polazeći od primjene ideja mehanike na fiziologiju, Mayer počinje razjašnjavanjem koncepta sile. I ovdje opet ponavlja ideju da kretanje ne može nastati ni iz čega, sila je uzrok kretanja, a uzrok kretanja neuništivi predmet. Ova formulacija upadljivo podsjeća na formulaciju Lomonosovljevog „univerzalnog zakona“, koji je on proširio „na sama pravila kretanja“. Imajte na umu da je Lomonosov i Mayer promocija univerzalnog zakona očuvanja kao „vrhovnog zakona prirode“ prihvaćena od strane savremene nauke, koja formuliše brojne specifične zakone očuvanja kao glavni stub naučnog istraživanja. Mayer detaljno izračunava mehanički ekvivalent toplote iz razlike toplotnih kapaciteta gasa (ovaj proračun se često reprodukuje u školskim udžbenicima fizike) i nalazi ga na osnovu merenja Delarochea i Berarda, kao i Dulonga, koji je odredio omjer toplotni kapacitet za vazduh treba da bude 367 kgf-m / kcal.

Majer je završio razvoj svojih ideja do 1848. godine, kada je u brošuri „Dinamika neba u popularnoj prezentaciji“ postavio i pokušao da reši najvažniji problem o izvoru sunčeve energije. Mayer je shvatio da hemijska energija nije dovoljna da nadoknadi ogromnu potrošnju energije Sunca. Ali od ostalih izvora energije u njegovo doba, bila je poznata samo mehanička energija. I Mayer je zaključio da se toplina Sunca obnavlja bombardiranjem meteorita koji na njega padaju sa svih strana neprekidno iz okolnog prostora. On priznaje da je do otkrića došlo slučajno (zapažanje na Javi), ali "to je još uvijek moje vlasništvo i ne ustručavam se braniti svoje pravo prvenstva." Mayer dalje ističe da su zakon održanja energije, “kao i njegov numerički izraz, mehanički ekvivalent topline, objavljeni gotovo istovremeno u Njemačkoj i Engleskoj”. On ukazuje na Jouleovo istraživanje i priznaje da je Joule "bezuslovno samostalno otkrio" zakon održanja i transformacije energije i da "duguje brojna značajna dostignuća u daljem potkrepljivanju i razvoju ovog zakona". Ali Mayer nije sklon da se odrekne svog prava prvenstva i ističe da je iz samih njegovih radova jasno da ne juri za efektom. To, međutim, ne znači odustajanje od prava na svoju imovinu.

Mnogo prije Joulea istraživanje je započeo akademik iz Sankt Peterburga E.Kh. Lenz, koji je objavio svoj rad 1843. godine pod naslovom “O zakonima stvaranja toplote galvanskom strujom”. Lenz spominje rad Joulea, čije je objavljivanje prethodilo Lenzovom, ali vjeruje da iako se njegovi rezultati "suštinski slažu s Jouleovim", oni su oslobođeni legitimnih prigovora koje je iznio Jouleov rad.

Lenz je pažljivo proučavao ponašanje otpora, a posebno je istraživao postojanje takozvanog „prelaznog otpora“ prilikom prelaska iz čvrstog u tečnost. Ovaj koncept su uveli neki fizičari u eri kada Ohmov zakon još nije bio opšteprihvaćen. Zatim je prešao na glavni eksperiment, čije je rezultate formulirao u sljedeće dvije odredbe: zagrijavanje žice galvanskom strujom proporcionalno je otporu žice; zagrijavanje žice galvanskom strujom proporcionalno je kvadratu struje koja se koristi za grijanje. Tačnost i temeljitost Lenzovih eksperimenata osigurala je prepoznavanje zakona, koji je u nauku ušao pod imenom Joule-Lenzov zakon.

Joule je svoje eksperimente o oslobađanju topline električnom strujom učinio polaznom tačkom za daljnja istraživanja odnosa između topline i rada. Već u svojim prvim eksperimentima počeo je nagađati da toplina nastala u žici koja spaja polove galvanske baterije nastaje kemijskim transformacijama u bateriji, odnosno počeo je uviđati energetski smisao zakona. Da bi dalje razjasnio pitanje porijekla "Joule topline" (kako se sada naziva toplina koju stvara električna struja), počeo je proučavati toplinu koju oslobađa indukovana struja. U svom radu “O termičkom efektu magnetoelektričnosti i mehaničkom efektu toplote”, predstavljenom na sastanku Britanskog udruženja u avgustu 1843., Joule je zaključio da se toplota može stvoriti mehaničkim radom pomoću magnetoelektričnosti (elektromagnetna indukcija), a ova toplota je proporcionalna kvadratu indukcijske struje sile.

Rotirajući elektromagnet indukcijske mašine uz pomoć padajućeg utega, Joule je odredio odnos između rada padajućeg utega i toplote koja se stvara u kolu. Otkrio je, kao prosječan rezultat svojih mjerenja, da se "količina topline koja može podići jednu funtu vode za jedan stepen Farenhajta može pretvoriti u mehaničku silu koja je sposobna podići 838 funti na vertikalnu visinu od jedne stope ." Pretvarajući jedinice funta i stopa u kilograme i metre i stepene Farenhajta u stepene Celzijusa, nalazimo da je mehanički ekvivalent toplote, izračunat po Jouleu, jednak 460 kgf-m/kcal. Ovaj zaključak vodi Joulea do drugog, općenitijeg zaključka, koji obećava da će testirati u daljnjim eksperimentima: „Moćne sile prirode... su neuništive, i... u svim slučajevima gdje se troši mehanička sila, tačan ekvivalentni iznos dobija se toplota.” On tvrdi da životinjska toplota nastaje kao rezultat hemijskih transformacija u telu i da su same hemijske transformacije rezultat delovanja hemijskih sila koje proizilaze iz "pada atoma". Tako, u delu iz 1843, Joule dolazi do isti zaključci do kojih je Mayer ranije došao .

Helmholtz smatra da je princip nemogućnosti vječnog kretanja identičan principu da se „sve radnje u prirodi mogu svesti na privlačne ili odbojne sile“. Helmholc posmatra materiju kao pasivnu i nepokretnu. Da bi se opisali promjene koje se dešavaju u svijetu, on mora biti obdaren silama privlačnosti i odbojnosti. “Fenomeni prirode”, piše Helmholtz, “moraju se svesti na kretanje materije s nepromjenjivim pokretačkim silama koje zavise samo od prostornih odnosa.” Otkrivači zakona održanja i transformacije energije slijedili su različite puteve do njegovog uspostavljanja. Mayer je, počevši od medicinskih opservacija, odmah to smatrao dubokim, sveobuhvatnim zakonom i otkrio lanac energetskih transformacija iz svemira u živi organizam. Joule je uporno i uporno mjerio kvantitativni odnos između topline i mehaničkog rada. Helmholc je zakon povezao sa istraživanjem velike mehanike 18. veka. Idući različitim putevima, oni su se, zajedno sa mnogim drugim savremenicima, uporno borili za odobrenje i priznanje zakona uprkos protivljenju esnafskih naučnika. Borba nije bila laka i ponekad je postajala tragična, ali je završila potpunom pobjedom. Nauka je dobila na raspolaganje veliki zakon održanja i transformacije energije.

Zakon održanja energije je temeljni zakon prirode, ustanovljen empirijski, koji kaže da se energija izolovanog (zatvorenog) fizičkog sistema održava tokom vremena. Drugim riječima, energija ne može nastati iz ničega i ne može nestati u ništa, može samo prelaziti iz jednog oblika u drugi.

Međutim, u različitim granama fizike, iz istorijskih razloga, zakon održanja energije je drugačije formulisan, pa stoga govori o očuvanju različitih vrsta energije. Na primjer, u termodinamici se zakon održanja energije izražava kao prvi zakon termodinamike. Budući da se zakon održanja energije ne primjenjuje na određene količine i pojave, već odražava opći obrazac koji je primjenjiv svuda i uvijek, ispravnije ga je nazvati ne zakonom, već principom održanja energije.

Ruski naučnik Lenz i Englez Joule, gotovo istovremeno i nezavisno jedan od drugog, eksperimentalno su dokazali da se toplota može stvoriti mehaničkim radom. Joule je definirao mehanički ekvivalent topline. Ove i druge studije pripremile su otkriće zakona održanja i transformacije energije. Godine 1842-1845 Njemački naučnik R. Mayer formulirao je ovaj zakon na osnovu generalizacije prirodnih nauka o mehaničkom kretanju, elektricitetu, magnetizmu, hemiji, pa čak i fiziologiji čovjeka. U isto vrijeme, slične ideje su izražene u Engleskoj (Grove) i Danskoj (Kolding). Nešto kasnije, ovaj zakon je razvio Helmholtz (Nemačka), a otkrivači zakona održanja i transformacije energije išli su različitim putevima do njegovog uspostavljanja.

Povezano s ovom datotekom 42986 fajl(e). Među njima: i još 42976 fajl(ova).
Prikaži sve povezane fajlove
Zašto dijeta ne funkcioniše???
Prije svega, otkrijmo odakle dolazi energija (odnosno kalorije koje unosimo) i gdje nestaje. Zakon održanja energije - "energija ne dolazi niotkuda i nigdje ne nestaje, već samo prelazi iz jednog oblika u drugi." Iz ovoga proizilazi da unosimo kalorije i trošimo TAKOĐE kalorije (nije bitno: jabuke, ananas ili meso, sendvič itd.)

Balans kalorija, tj. količina potrošene energije mora biti u ravnoteži sa utrošenom energijom. Sve što se ne potroši sigurno će biti pohranjeno kao salo.! Ako želimo postići efekat mršavljenja, onda nam je potreban negativan bilans (ali ne previše). Čini se da je sve jednostavno - samo trebate ograničiti protok kalorija i to je to. Ali to nije tako jednostavno. Hajde da shvatimo na šta se svakodnevno troši energija:

1.Promet proizvodnje- ovo je koeficijent energije koju tijelo troši za dodatne potrebe, što ovisi o fizičkoj aktivnosti osobe.

Svako ko se bavi teškim fizičkim aktivnostima ima veliki obrt proizvodnje. A onaj ko sjedi cijeli dan na poslu je, shodno tome, nizak. Ali ovo nije glavni faktor u smanjenju tjelesne masti, već je samo faktor koji doprinosi.

2. Osnovni metabolizam- ovo je količina energije koja je tijelu potrebna za održavanje tijela u stanju mirovanja na prosječnoj temperaturi. To su disanje, rad srca, probava, održavanje tjelesne temperature, kao i mišići. Najvažniji faktor su mišići. Mišićno tkivo podstiče dobar metabolizam, sprečavajući taloženje masti. Naši mišići troše oko 40% svoje ukupne energije u mirovanju! Osoba sa dobrim mišićima troši mnogo više kalorija nego neko ko ima mnogo manje. Prva osoba u svom tijelu ima 24-satnu “mašinu za sagorijevanje masti” i shodno tome ima veće šanse da izbjegne masne naslage od druge. Zbog toga vežbe za izgradnju mišića su veoma važne, jer mišići igraju veliku ulogu u metaboličkom procesu.

Šta se dešava sa tijelom tokom dijete? Kalorijski deficit (previše negativan bilans). Na koje tijelo reagira negativno, pokušavajući sačuvati svoje "rezerve". U tu svrhu počinje se rješavati glavnog "pljačkaša" kalorija - mišića. I kao rezultat toga, ispada da se bazalni metabolizam smanjuje, a tijelo u mirovanju troši mnogo manje energije nego prije dijete. A sporiji metabolizam znači da ćete, da biste nastavili sa sagorijevanjem masti, morati još više smanjiti unos kalorija. Ispada začarani krug... Kada je na dijeti, osoba je prinuđena da kontroliše proces stvaranja masti do kraja života! Osim toga snažna mišićna masa zamijenjena je mlitavom masnom masom, a pošto je masnoća manje gustoća od mišića, tijelo izgleda još obimnije. Pa, kome treba takva dijeta?

zaključak: Nije u našem interesu da stvaramo veliki kalorijski deficit i dovodimo organizam u katastrofalno stanje. Za održavanje dobrog metabolizma, jednostavno Morate raditi trening snage i unositi dovoljno proteina(po stopi od 2 g po kilogramu vaše težine dnevno) kako bi se spriječio gubitak mišićne mase, a također izbjegavaju razne bolesti povezane s atrofijom.

Iron Systemtm tim
idite u direktorij datoteka

ISTORIJA OTKRIĆA ZAKONA ODRŽAVANJA I TRANSFORMACIJE ENERGIJE

U vezi sa otkrićem fundamentalnog fizičkog fenomena - elektromagnetne indukcije, na osnovu koje su se razvile mnoge grane moderne elektrotehnike, umesno je ovde razmotriti istoriju drugog, još značajnijeg otkrića - zakona održanja i transformacije. energije.

Naučnici i praktičari svih vremena okrenuli su se proučavanju različitih energetskih procesa i pokušajima generalizacija koje su sadržavale elemente formulacije zakona održanja i transformacije energije. Ako se okrenemo istoriji otkrića zakona, termin „energija“ pojavio se tek u poslednjoj fazi istorije velikog zakona. Osim toga, potrebno je uzeti u obzir da su glavna dostignuća fizike, hemije i biologije, koja su omogućila pravu generalizaciju, postala poznata tek od početka 19. stoljeća.

Čak su i antički mislioci (Demokrit, Epikur) potvrđivali vječnost i neuništivost materije i kretanja. Svakodnevna praktična aktivnost zahtijevala je poznavanje zakona kretanja, prvenstveno jedinog poznatog – mehaničkog. I stoga, nije slučajno što je zakon održanja energije počeo da se kristališe u okviru mehanike. Godine 1633., u svom Traktatu o svjetlosti, ideju o očuvanju kretanja formulirao je poznati francuski naučnik René Descartes (1596–1650): „Kada se jedno tijelo sudari s drugim, ono mu može dati samo onoliko kretanja jer istovremeno gubi i oduzima mu samo onoliko koliko povećava svoje kretanje.” Ovu ideju je dalje razvio njemački naučnik Gottfried Wilhelm Leibniz (1646–1716) u svom zakonu održanja živih sila.

Nakon klasičnih djela Isaaca Newtona (1643–1727) i Gottfrieda Leibniza, princip očuvanja kretanja dobio je jasnu formulaciju u djelima M.V. Lomonosov, koji je odlučio spojiti dva principa očuvanja: kretanje i materiju. Bio je to M.V. Lomonosov je zaslužan za otkriće zakona održanja materije, koji je potom potpuno nezavisno ponovio francuski naučnik Antoan Loran Lavoazije (1743–1794). Godine 1744. M.V. Lomonosov je napisao riječi koje su postale poznate: „Sve promjene u prirodi koje se dešavaju su u takvom stanju da koliko se nečega oduzme jednom tijelu, toliko će se dodati drugom, pa ako se malo materije negdje izgubi, bit će umnožen na drugom mjestu... ovaj univerzalni prirodni zakon proteže se i na sama pravila kretanja, jer tijelo koje pokreće drugo svojom silom gubi onoliko toga od sebe koliko prenosi drugome, koje od njega prima kretanje.”

Tako je sredinom 18. vijeka M.V. Lomonosov je jasno formulisao zakon održanja mase i kretanja kao univerzalni zakon prirode. Štaviše, prvi dio njegovog izraza (“sve promjene u prirodi koje se događaju...”) je tako široko formuliran da ako su ove riječi napisane 100 godina kasnije, kada su postale poznate druge “promjene u prirodi” – brojne međusobne transformacije energije (električni, termički, hemijski, mehanički), onda bi druge formulacije zakona održanja i transformacije energije i očuvanja materije bile nepotrebne. Ali, nažalost, doba još nije bilo isto, a naučni radovi M.V. Lomonosov je ostao nepoznat skoro 150 godina.

Da bi se mogle sagledati kvalitativne transformacije energije iz jednog oblika u drugi, morali su postojati neophodni i dovoljni naučni i tehnički preduslovi. Najvažniji među ovim preduvjetima bio je razvoj doktrine topline i toplinske tehnike. Poznato je kakvu je ulogu vatra imala u razvoju čovjeka u zoru njegove historije. Čovek je u procesu rada naučio da pravi vatru trenjem. U proizvodnji vatre trenjem već je bila evidentna kvalitativna transformacija mehaničke energije u toplotnu.

Uspostavljanje odnosa između mehaničke i toplotne energije objektivno je dugo vremena ometala teorija kalorija. Vjerovalo se da se kalorija istiskuje iz tvari kada se kompresuje, na primjer, kada se komprimira plin, poput soka od narandže. Briljantne misli M.V. Lomonosov o molekularnom kretanju kao izvoru toplote, o kinetičkoj prirodi toplote u širem smislu ostao je van vidokruga opšte naučne zajednice. Najznačajniji udarac teoriji kalorija već u eri parnih mašina (1798) zadali su eksperimenti Amerikanca Benjamina Thompsona (1753–1814), poznatijeg u Evropi pod titulom grofa Rumforda. Prilikom bušenja cijevi pištolja u Minhenu, Rumfoord je primijetio oslobađanje topline, što je, međutim, svima bilo poznato. Međutim, Rumford je uspio pokazati da se u ovom slučaju može osloboditi gotovo neograničena količina topline. U svojim eksperimentima je poduzeo mjere za izolaciju svrdla i bureta kako bi se isključio ulazak kalorija, ove "supstance topline", s bilo kojeg mjesta izvana.

Ali oko 30 godina nakon Rumfordovih eksperimenata, teorija kalorija, ispravljena i rafinirana, nastavila je da zauzima dominantnu poziciju u objašnjavanju uzroka topline. Suštinski važna za razumijevanje činjenice transformacije jedne vrste kretanja (na primjer, mehaničkog) u drugu (na primjer, toplinsku) bila je ideja o ekvivalentu, posebno mehaničkom ekvivalentu topline.

Dramatičnost historije otkrića zakona održanja i transformacije energije bila je u tome da gotovo do trenutka potpunog priznavanja ovog zakona gotovo svako prethodno otkriće koje potvrđuje njegovu valjanost ili nije objavljeno, ili mu se nije poklanjala dužna pažnja. ili je zvanična nauka jednostavno naišla na neprijateljstvo.

Relevantni radovi M.V. Lomonosov su bili zaboravljeni do 1904. godine, a nakon što su svojevremeno objavljeni u Rusiji, nisu prodrli u zapadne laboratorije. Rumford, koji je uzdrmao temelje kalorijske teorije, nije je mogao srušiti a da nije našao dokaze o ekvivalentnosti transformacije mehaničkog kretanja u toplinu. Dvadesetosmogodišnji talentovani francuski inženjer Sadi Carnot (1796–1832) objavio je 1824. izvanredno djelo „Razmišljanja o pokretačkoj sili vatre i o mašinama sposobnim da razviju ovu silu“, u kojoj je iznio ono što je kasnije došlo. nazvati drugi zakon termodinamike, ili "Carnotov princip". Ali kasnije studije, u kojima je S. Carnot napustio kaloričnu teoriju i po prvi put odredio mehanički ekvivalent toplote, nisu objavljene na vrijeme, a njegovi rukopisi postali su poznati tek 1878. godine.

U dodatku svoje jedine knjige S. Carnot je napisao: „Toplota nije ništa drugo do pokretačka sila, odnosno kretanje koje je promijenilo svoj oblik. To je kretanje čestica tijela. Gdje god je pokretačka sila uništena, toplina se istovremeno javlja u količini koja je tačno proporcionalna količini pokretačke sile koja je nestala. Suprotno tome, kad god toplota nestane, javlja se pokretačka sila.” Prema mjerenjima S. Carnota, mehanički ekvivalent topline bio je 370 kg∙m (podsjetimo da je ta vrijednost 427 kg∙m, odnosno 4186 J).

Teorijske studije S. Carnota odgovorile su na specifično pitanje koje je postavila industrija u razvoju, kako toplotni motor učiniti ekonomičnijim. S. Carnot je polazio od uvjerenja da je vječno kretanje nemoguće. Ali čak ni njegovi savremenici nisu obraćali pažnju koju su ova djela zavrijedila.

Istraživanje hemijskih, termičkih i mehaničkih efekata električne struje, otkriće fenomena elektromagnetne indukcije u prvih 40 godina 19. veka. poslužio kao drugi važan preduslov za otkriće zakona održanja i transformacije energije.

M. Faraday je 1836. godine formulisao dva zakona elektrolize, kojima je uspostavio veze između količine električne energije i hemijskih svojstava supstance.

Veliki engleski fizičar definitivno je isticao potrebu za uspostavljanjem ekvivalenata između različitih vrsta energije, ili, u terminologiji tog vremena, između različitih sila. On je napisao: „Imamo mnogo procesa u kojima vanjski oblik sile može doživjeti takve promjene da postoji jasna transformacija u drugi. Dakle, hemijsku silu možemo pretvoriti u električnu struju, a električnu struju u hemijsku silu. Odlični eksperimenti T. Seebecka i J. Peltea pokazuju međusobnu povezanost toplote i elektriciteta, a G. Oersted i moji pokazuju konvertibilnost elektriciteta i magnetizma. Ali ni u kom slučaju, čak ni kod električne jegulje i raža, nema proizvodnje sile bez odgovarajućeg utroška nečega što je hrani.” M. Faraday je u svom dnevniku 1837. zapisao: „Potrebno je uporediti broj materijalnih sila (tj. sile elektriciteta, gravitacije, hemijskog afiniteta, kohezije, itd.), gdje je moguće dati izraz za njihov ekvivalenti u jednom ili drugom obliku."

Razbijen je mit o posebnoj „životnoj sili“ u ljudskim i životinjskim tijelima. Uspostavljena je direktna veza između količine konzumirane hrane i sposobnosti za obavljanje posla.

40-te godine 19. vijeka bile su vrijeme širokih generalizacija. Istorija pripisuje odlučujuću ulogu u uspostavljanju zakona održanja i transformacije energije nemačkim naučnicima Robertu Majeru (1814–1878) i Hermanu Helmholcu, kao i engleskom fizičaru Džejmsu Džoulu (1818–1889).

R. Mayer je bio brodski doktor na holandskom brodu kada mu je 1840. godine “odjednom” sinula ideja o zakonu održanja i transformacije energije. Reč „iznenada” je stavljena pod navodnike s razlogom: R. Mayer je kasnije pisao o iznenadnom uvidu, ali može li otkriće biti iznenadno, čije su premise bile dobro poznate diplomcu Univerziteta u Tibingenu? Početni impuls bio je iznenadan za R. Mayera: skrenuo je pažnju na ono što je dobro poznato doktorima koji stalno rade u tropskim geografskim širinama. Dok je brod boravio na Javi, jednom je mornaru pozlilo, a R. Mayer mu je, po običaju tada, „okrvario“ otvaranjem vene. Zamislite njegovo iznenađenje kada je vidio da venska krv nije tako tamna kao u umjerenim geografskim širinama. R. Mayer je shvatio da je pri visokoj prosječnoj temperaturi zraka za održavanje vitalnih funkcija i potrebne temperature tijela potrebno manje hranljivih materija i manje „sagorevanja“ potonjeg. Poređenje brojnih naučnih činjenica iz oblasti hemije, fizike i biologije dovelo ga je do zaključka da su ga misli, prema izrazu R. Mayera, probole kao munja, dovela do zaključka o postojanju univerzalnog zakona priroda.

R. Mayer je 1841. godine napisao članak „O kvantitativnom i kvalitativnom određivanju sila“, ali urednik poznatog fizičkog časopisa u Evropi nije smatrao potrebnim da ga objavi. Rukopis članka je otkriven u uredničkim arhivima i objavljen tek 1881. godine, tj. 40 godina kasnije. Sljedeći članak, “Bilješke o silama nežive prirode”, objavljen je 1842. U ovom radu R. Mayer posvećuje veliku pažnju međusobnim transformacijama mehaničkog rada i topline, ne znajući za odgovarajuća istraživanja S. Carnot, koji određuje mehanički ekvivalent topline (prema njemu, jednak je 365 kg∙m/kcal), govori o „neuništivosti“ sila i formulira svoj princip. Ovdje, po prvi put u istoriji nauke, R. Mayer stavlja značenje „energije“ u pojam „sile“, a da još nije izgovorio ovu reč (međutim, reč je izgovorena ranije; ovom rečju engleski fizičar Thomas Young (1773–1829) odredio je veličinu proporcionalnu masi i kvadratu brzine tijela koje se kreće).

Ideje R. Mayera bile su toliko opšte i univerzalne da ih njegovi savremenici u početku nisu prihvatili. Njegov život se pretvorio u neprekidnu borbu za uspostavljanje svog principa.

Klasična mjerenja mehaničkog ekvivalenta topline vršena su 1841–1843. (objavljeno 1843.) D. Joule. Prema njegovim riječima, ovaj ekvivalent je bio 460 kg∙m/kcal. D. Joule je također uspostavio, nezavisno od E. Lenza, vezu između električne struje i proizvedene topline (Joule-Lenzov zakon). Zanimljivo je napomenuti da je Britansko društvo (kako se zove Britanska akademija nauka) odbilo da u potpunosti objavi rad D. Joulea, tražeći od njega sve više eksperimentalnih pojašnjenja.

Konačno, 1847. G. Helmholtz je u svom radu “O očuvanju sile” dao zakon održanja u njegovom najopštijem obliku, pokazujući da zbir potencijalne i kinetičke energije ostaje konstantan. G. Helmholtz je izveo izraz za elektromotornu silu indukcije na osnovu zakona održanja energije. Tu je po prvi put dato matematičko tumačenje zakona. Završetkom dugog puta koji je nauka prešla do tačne formulacije zakona održanja energije može se smatrati izveštaj W. Thomsona „O dinamičkoj teoriji toplote“ (1851).

Godine 1860. W. Thomson je u nauku uveo pojam "energija" u njegovom modernom smislu. Čuveni škotski fizičar William John McQuarne Rankin (Rankine) (1820–1872), jedan od tvoraca tehničke termodinamike, došao je do istog tumačenja pojma "energija" 1853. godine.

Predstavljanje istorije otkrića zakona prikladno je završiti riječima istaknutog engleskog fizičara i javne ličnosti Johna Dimonda Bernala (1901–1971), napisanih 100 godina kasnije: „Zakon održanja energije .. bilo je najveće fizičko otkriće sredine 19. stoljeća. Kombinovao je mnoge nauke i bio u izuzetnom skladu sa tokovima tog vremena. Energija je postala univerzalna valuta fizike - zlatni standard, da tako kažem, promjena koje se dešavaju u svemiru... Sva ljudska aktivnost u cjelini – industrija, transport, rasvjeta i, na kraju, hrana i sam život – razmatrana je sa stanovišta ovisnosti o ovom jednom opštem pojmu – energiji.

Prethodna78910111213141516171819202122Sljedeća

VIDJETI VIŠE:

Zakon održanja mehaničke energije

Mehanička energija konzervativnog mehaničkog sistema se održava tokom vremena.

Jednostavno rečeno, u nedostatku disipativnih sila (na primjer, sila trenja), mehanička energija ne nastaje ni iz čega i ne može nigdje nestati.

Za zatvoreni sistem fizičkih tijela, na primjer, jednakost je tačna
Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2,
Gdje Ek1, Ep1- kinetička i potencijalna energija sistema bilo koje interakcije, Ek2, Ep2- odgovarajuće energije nakon.

Zakon o očuvanju energije- Ovo integralni zakon. To znači da se sastoji od djelovanja diferencijalnih zakona i da je svojstvo njihovog zajedničkog djelovanja.

Formulacija zakona održanja mehaničke energije.

Ukupna mehanička energija, tj. zbir potencijalne i kinetičke energije tijela ostaje konstantan ako djeluju samo sile elastičnosti i gravitacije, a ne postoje sile trenja.

Ostale napomene o fizici

Proučavanje procesa pretvaranja toplote u rad i obrnuto i uspostavljanje mehaničkog ekvivalenta toplote odigralo je veliku ulogu u otkrivanju zakona održanja i transformacije energije. Međutim, ovo otkriće pripremio je čitav razvoj fizike u prvoj polovini 19. veka. Sve više mjesta u fizičkim istraživanjima zauzimala su proučavanja pojava u kojima se odvijala transformacija različitih oblika kretanja jedan u drugi. Proučavanje hemijskih, termičkih, svetlosnih efekata električne struje, proučavanje njenog pondermotivnog delovanja, proučavanje procesa pretvaranja toplote u rad itd. - sve je to doprinelo nastanku i razvoju ideje o interkonvertibilnost "sila" prirode jedne u druge.

Ova ideja je sazrela i počela da se sukobljava sa stavovima zasnovanim na konceptu „betežinski“. Ovu ideju sve više izražavaju različiti naučnici, a bio je potreban jedan korak da se ova ideja uobliči u fizički zakon. Ovaj korak su preduzeli mnogi naučnici. Zanimljivo je napomenuti da jedan broj njih nije bio fizičar u vrijeme otkrića zakona održanja i transformacije energije. Glavnu ulogu u uspostavljanju zakona održanja i transformacije energije odigrali su nemački doktor Mayer, nemački naučnik Helmholc (koji je u to vreme bio lekar i fiziolog, a tek onda postao fizičar) i, konačno, Englez Joule, koji se bavio fizičkim istraživanjima.

Robert Mayer

Robert Mayer (1814-1878) studirao je medicinu i fiziologiju. Godine 1840. otkrio je da je krv uzeta iz vene ljudi koji žive u tropima svjetlije boje od krvi ljudi koji žive u Evropi. Istražujući ovaj fenomen, Mayer je zaključio da je razlog tome razlika u temperaturi između ljudskog tijela i okoline. Razmišljajući o ovom pitanju, na kraju je došao do opšte ideje o neuništivosti „prirodnih sila“ i njihovoj sposobnosti da se transformišu jedna u drugu. Mayer je prvo iznio svoje stavove i zaključke u svom djelu “O kvantitativnom i kvalitativnom određivanju sila”. Ovdje, pod riječju "sila", Mayer razumije ono što je kasnije postalo nazvano energija. Ovaj termin zadržava u svojim narednim radovima. Sile su, prema Mayeru, uzroci koji mijenjaju međusobni odnos između supstanci tijela. Iz zakona logike i principa kauzalnosti, prema Mayeru, proizlazi da su sile neuništivi objekti, ali koji se mijenjaju u svojim kvalitetima. Nauka, „proučavajući vrstu postojanja sila (fizika), mora smatrati kvantitet svojih objekata nepromenjenim i samo njihov kvalitet koji se menja” 1, smatra Majer. On dalje piše:

“...kretanje, toplota i, kako ćemo kasnije pokazati, elektricitet, su pojave koje se mjere jedna od druge i pretvaraju jedna u drugu prema određenim zakonima” 2

Izrazivši ove opšte principe, Mayer je, međutim, nakon njihovog posebnog razmatranja, napravio niz pogrešnih i zbunjujućih pretpostavki. Tako je, na primjer, za meru mehaničkog kretanja uzeo ne kinetičku energiju, već količinu kretanja. Mayer je namjeravao objaviti ovaj rad u časopisu za fiziku Annalen der physik. Međutim, urednik časopisa, Poggendorff, odbio je to objaviti. Članak je bio opće polufilozofske prirode i nije sadržavao nikakve konkretne eksperimentalne ili teorijske rezultate.

Iste 1841. Majer je napisao novo delo o istoj temi i, uzimajući u obzir svoje neuspelo iskustvo, poslao ga u hemijsko-farmaceutski časopis „Annalen der Chemie und Pharmacie“, gde je objavljen 1842. godine pod naslovom „Napomene o silama nežive prirode." U ovom članku, također uglavnom opšte prirode, Mayer je temeljitije razvio svoje ideje i nije napravio pogrešne odredbe sadržane u prvom članku. Nova važna stvar bila je da je, govoreći o transformaciji mehaničke energije u toplotu, Mayer po prvi put ustanovio postojanje mehaničkog ekvivalenta toplote. napisao je:

“...Potrebno je odgovoriti na pitanje kolika je količina toplote koja odgovara određenoj sili pada ili kretanja. Na primjer, morali smo odrediti koliko visoko određeni teret mora biti podignut iznad površine zemlje da bi njegova sila pada bila ekvivalentna zagrijavanju jednake težine vode od 0 do 1°" 3 .

Mayer dalje izvještava da je izvršio odgovarajući proračun koristeći već poznate vrijednosti toplotnog kapaciteta zraka pri konstantnom tlaku c p i toplinskog kapaciteta pri konstantnom volumenu c v, te je pronašao mehanički ekvivalent topline, koji je prema njegovim proračunima , pokazalo se da je jednako 365 kgm/kcal.

Godine 1845. Mayer je objavio knjigu “Organsko kretanje u vezi s metabolizmom”, gdje je detaljnije iznio doktrinu o očuvanju i transformaciji energije (“sila” u njegovoj terminologiji). Detaljnije, Majerove glavne tačke su sljedeće. U prirodi, vjerovao je, postoje dvije vrste uzroka: jedan se odlikuje svojstvom težine i neprobojnosti - ovo je materija, druga grupa uzroka su sile. Materija i sile su neuništive. Ovo slijedi iz principa da je uzrok uvijek jednak efektu, koji je zauzvrat uzrok za naknadno djelovanje. U isto vrijeme, razlozi mogu imati različite oblike. “Uzroci su (kvantitativno) neuništivi i (kvalitativno) sposobni za transformaciju objekata.” U tom smislu, sile su neuništivi objekti sposobni za transformaciju. U prirodi postoji nekoliko kvalitativno različitih „sila“. Prvo, pokret: "Kretanje je moć." Ova snaga se mjeri količinom radne snage. Kada se elastična tijela sudare, ukupna količina "živih sila" ostaje konstantna. Druga sila je "sila pada". Pod ovom silom, Mayer podrazumijeva potencijalnu energiju podignutog tijela. Mjeri se proizvodom težine i visine. Prilikom pada, “sila pada” i “sila kretanja” se međusobno pretvaraju. Njihov ukupni iznos ostaje konstantan. Toplota je takođe "sila". Može se pretvoriti u mehaničko kretanje, i obrnuto. Pretvaranje mehaničkog efekta (opći naziv, prema Mayeru, za kinetičku i potencijalnu energiju) u toplinu i obrnuto uvijek se događa u strogo ekvivalentnim količinama. U svom djelu “Organsko kretanje i metabolizam” Mayer daje tačniju vrijednost za mehanički ekvivalent topline (nego u članku iz 1842.), pronađenu ponovo na osnovu razlike između toplotnog kapaciteta zraka pri konstantnoj zapremini i konstantnom pritisku. Prema njegovim proračunima, mehanički ekvivalent je 425 kgm/kcal.

Elektricitet je također oblik manifestacije fizičke sile. U slučaju trenja, mehanička energija se može pretvoriti u električnu. Mayer navodi primjer elektrofora, s pravom primjećujući da se prilikom skidanja gornje ploče, pored rada protiv gravitacije, mora provesti i mehanički rad protiv električne sile.

Pored navedenih sila, postoji i “hemijska sila”. Tu moć, prema Mayeru, poseduju hemijske supstance koje su sposobne da se kombinuju dok su odvojene: hemijski odvojeno postojanje, ili hemijska razlika supstanci, je „sila“. Mayer razmatra primjere interkonvertibilnosti “sila”: mehaničko kretanje u toplinu i električnu energiju, električnu energiju u toplinu i “mehanički učinak”, toplinu u električnu energiju, itd. Mayer je shvatio da njegova teorija nije samo nova, već je i suprotna postojećim pogledima. Stoga se on posebno izjašnjava protiv ideje nevjerovatnih. on piše:

„Izrazimo veliku istinu: nematerijalne stvari nema. Svjesni smo da se borimo protiv duboko ukorijenjenih hipoteza koje su kanonizirali najveći autoriteti, da želimo, zajedno s nemjerljivim tekućinama, da izbacimo iz učenja prirode sve što je ostalo od grčkih bogova; međutim, znamo i da je priroda u svojoj jednostavnoj istini veća i ljepša od bilo koje tvorevine ljudskih ruku, od svih iluzija stvorenog duha." 4 .

Prvi Mayerovi radovi nisu privukli pažnju fizičara. Oni nisu objavljeni u časopisima za fiziku, i uglavnom su bili opšte prirode, a da ne spominjemo činjenicu da su bili u sukobu sa preovlađujućom teorijom kalorija i, uopšte, sa idejama o nemogućim.

Godine 1843., nezavisno od Mayera, Englez James Prescott Joule (1818-1889) došao je do otkrića ekvivalencije toplote i rada, a potom i do zakona održanja i transformacije energije. Od 1841. Joule proučava oslobađanje topline električnom strujom. U to vrijeme, posebno, otkrio je zakon koji je također nezavisno uspostavio Lenz (Joule-Lenzov zakon). Zatim je, ispitujući ukupnu količinu toplote oslobođene u cijelom krugu, uključujući i galvansku ćeliju, tokom određenog vremena, utvrdio da je ta količina topline jednaka toplini kemijskih reakcija koje se odvijaju u elementu za isto vrijeme. On, Joule, smatra da su izvor topline koja se oslobađa u strujnom kolu kemijski procesi koji se odvijaju u galvanskoj ćeliji, a električna struja, takoreći, prenosi ovu toplinu kroz cijeli krug. Napisao je da se „struja može smatrati važnim agensom koji prenosi, organizira i modificira kemijsku toplinu“ 5 . Ali "Elektromagnetna mašina" može poslužiti i kao izvor električne struje. Kako u ovom slučaju razmotriti toplinu koju stvara električna struja? Joule postavlja i pitanje: šta će se dogoditi ako se magnetoelektrična mašina (tj. električni motor) poveže u kolo sa galvanskim elementom?Kako će to uticati na količinu toplote koju stvara struja u kolu?

James Prescott Joule

Nastavljajući svoja istraživanja u ovom pravcu, Joule je došao do novih važnih rezultata, koje je iznio u djelu “Toplotni efekat magnetoelektriciteta i mehanička vrijednost topline”, objavljenom 1843. godine. Najprije je Joule istraživao pitanje količine toplina koju stvara indukcijska struja. Da bi to učinio, postavio je žičanu zavojnicu sa željeznom jezgrom u cijev koja je bila napunjena vodom i rotirao je u magnetskom polju koje formiraju polovi magneta (slika 63). Mjereći veličinu indukcijske struje galvanometrom spojenim na krajeve žičane zavojnice pomoću živinog komutatora, i istovremeno određujući količinu topline koju stvara struja u cijevi, Joule je došao do zaključka da je indukcijska struja, poput galvanska struja, oslobađa toplotu, čija je količina proporcionalna kvadratu struje i otpora.

Rice. 63. Ugradnja džula (magnet nije naznačen na crtežu)

Rice. 64. Joule instalacija za određivanje mehaničkog ekvivalenta topline

Joule je zatim spojio žičani namotaj postavljen u cijev s vodom u galvanski krug. Rotirajući ga u suprotnim smjerovima, mjerio je struju u strujnom kolu i toplinu nastalu u određenom vremenskom periodu, tako da je zavojnica jednom imala ulogu elektromotora, a drugi put generatora električne struje. Zatim, upoređujući količinu oslobođene topline s toplinom kemijskih reakcija koje se odvijaju u galvanskoj ćeliji, Joule je došao do zaključka da je “toplina uslijed kemijskog djelovanja podložna povećanju ili smanjenju” i da “imamo, dakle, u magnetoelektričnosti sredstvo koje može uništiti običnim mehaničkim sredstvima ili pobuditi toplinu" 6.

Konačno, Joule je natjerao ovu cijev da se okreće u magnetskom polju već pod utjecajem padajućih utega.Mjereći količinu toplote oslobođene u vodi i rad obavljenog pri spuštanju utega, izračunao je mehanički ekvivalent toplote, što se pokazalo kao biti jednaka 460 kgm/kcal.

Iste godine, Joule je izvijestio o eksperimentu u kojem je mehanički rad direktno pretvoren u toplinu. Izmjerio je toplinu koja se oslobađa kada voda prođe kroz uske cijevi* i otkrio je da je mehanički ekvivalent topline 423 kgm/kcal.

Nakon toga, Joule se ponovo vratio na eksperimentalno određivanje mehaničkog ekvivalenta topline. Godine 1849. izveo je poznati eksperiment o mjerenju mehaničkog ekvivalenta topline. Koristeći padajuće utege, prisilio je os sa lopaticama da se rotira unutar kalorimetra napunjenog tekućinom (slika 64). Mjereći rad opterećenja i toplinu oslobođenu u kalorimetru, Joule je dobio mehanički ekvivalent topline jednak 424 kgm/kcal.

Otkriće mehaničkog ekvivalenta topline dovelo je Joulea do otkrića zakona održanja i transformacije energije. Na predavanju koje je održao 1847. u Mančesteru, rekao je:

„Vidite, dakle, da se živa sila može transformisati u toplotu i da se toplota može transformisati u živu silu, ili u privlačnost na daljinu. Sve tri, dakle, – naime, toplota, živa sila i privlačnost na daljinu (u koju mogu uključiti i svjetlost...) – međusobno se pretvaraju jedno u drugo. Štaviše, ništa se ne gubi tokom ovih transformacija.” 7 .

Hermann Helmholtz (1821-1894) po obrazovanju je bio doktor i fiziolog, odmah nakon diplomiranja na Medicinsko-hirurškom institutu bavio se istraživanjima u oblasti fiziologije, posebno vezanim za pitanje pretvaranja različitih oblika energije u život. organizam. Ove studije su dovele do pitanja: "Kakvi odnosi moraju postojati između različitih sila prirode, ako prihvatimo da je perpetuum mobile općenito nemoguć?" 8 . Radeći na ovom problemu, Helmholtz je došao i do otkrića zakona održanja i transformacije energije. Napisao je rad koji je Poggendorff također odbio da objavi u svom časopisu; objavljena je kao posebna knjiga 1847.

Helmholc polazi od dobro poznatog zakona održanja „živih sila“, koji, naravno, važi za centralne sile. on piše:

„Kada prirodna tijela djeluju jedno na drugo privlačnim i odbojnim silama, neovisno o vremenu i brzini, tada zbroj njihovih živih sila i sila napetosti ostaje konstantan, tako da će maksimum dobivenog rada, prema tome, biti određen i konačan vrijednost” 9. (Ovdje, pod "napetostnom silom" (Spannkraft), Helmholtz je mislio na potencijalnu energiju.)

Međutim, zakon održanja živih sila djeluje samo u mehanici, pa čak i tada samo za slučaj konzervativnih sila (Helmholtz je svoje djelovanje u početku ograničio na centralne sile).

Hermann Helmholtz

Da bi sada prešao na opći zakon održanja „sila“ (kako Helmholtz, kao i Mayer, naziva energiju), on vjeruje da se sve prirodne pojave na kraju svode na kretanje i raspored materijalnih tijela između kojih djeluju centralne sile.

Do sada nema ničeg suštinski novog u takvom Helmholcovom razmišljanju. Mnogi su tako mislili prije njega i za vrijeme njegovog vremena. A da se ograničio na ova razmatranja, onda bi njegova zasluga u otkriću zakona održanja i transformacije energije bila svedena na nulu. Glavna stvar je da je proučavao kako se, po njegovom mišljenju, zakon održanja "živih sila" manifestuje u svim fizičkim pojavama: mehanici, termofizici, elektrodinamici itd. On je zapravo proučavao pitanje transformacije različitih vrsta energije u fizičkim procesima, iako je smatrao da su ovi oblici manifestacija “žive sile” ili “sile napetosti”.

Helmholtz je prvo istraživao procese transformacije energije u okviru mehanike, odnosno procese transformacije kinetičke energije u potencijalnu i obrnuto. Zatim ispituje procese pomoću kojih se mehaničko kretanje pretvara u toplinu, citirajući Jouleovo otkriće mehaničkog ekvivalenta topline. Nakon toga, Helmholtz prelazi na električne fenomene. Utvrdio je da je energija napunjenog kondenzatora jednaka 1/2 q 2 /c, gdje je q naelektrisanje, a c kapacitet kondenzatora. Prilikom pražnjenja ova energija se pretvara u toplinu, koja se oslobađa u vodiču koji zatvara ploče kondenzatora.

Helmholtz takođe proučava energetske procese u galvanskom kolu; razmatra rad električne struje i topline koja nastaje u kolu (koristeći Joule-Lenzov zakon), kao i slučaj kada je termoelement uključen u kolo.

Razmatrajući elektromagnetne pojave, koristeći zakon održanja energije, Helmholtz je dobio izraz zakona elektromagnetne indukcije. Smatrao je zatvoreno kolo sa strujom i magnetom koji se kreće pod uticajem te struje. U kratkom vremenskom periodu dt dolazi do sljedećih promjena u sistemu. Prvo, baterija koja podržava struju I u kolu proizvodi rad jednak εldt, gdje je ε elektromotorna sila baterije. Drugo, tokom ovog vremenskog perioda oslobađa se količina toplote u krugu jednaka I 2 Rdt, gdje je R otpor kola. I konačno, relativni položaj magneta i strujnog kola se mijenja, što dovodi, kako je vjerovao Helmholtz, do promjene "žive sile" magneta. Promjena u ovoj „živoj snazi“ bi trebala biti jednaka IDV, gdje je V potencijalna funkcija koju je uveo Neumann. Prema zakonu održanja “sile”, jednakost mora biti zadovoljena

Iz toga slijedi da se u kolu pobuđuje elektromotorna sila indukcije jednaka -dV/dt. Ako uzmemo u obzir da je vrijednost V jednaka fluksu magnetske indukcije kroz krug, tada je, kao što vidimo, dobiven zakon elektromagnetne indukcije 10.

Na kraju rada, Helmholtz se zadržava na pitanju primjenjivosti principa očuvanja “sile” na organske procese i pozitivno ga rješava. U zaključku piše:

“Mislim da izneseni podaci dokazuju da navedeni zakon nije u suprotnosti ni sa jednom od poznatih činjenica u prirodnoj nauci i zadivljujuće je potvrđen velikim brojem njih... potpuna potvrda (zakona - B.S.)... treba da bude u suprotnosti sa ni jednom od činjenica koje su poznate u prirodnim naukama i zadivljujuće ih potvrđuje veliki broj njih... smatra se jednim od glavnih zadataka bliske budućnosti fizike" 11

Helmholcov rad je primljen više nego hladno. Sam Helmholtz je u svojim memoarima napisao:

“Bio sam... donekle iznenađen otporom koji sam naišao među specijalistima; Odbio sam posao u Poggendorfovom Annalenu, a među članovima Berlinske akademije bio je samo matematičar K. G. I. Jacobi, koji je stao na moju stranu.” 12

Međutim, uprkos hladnom prijemu koji je rad Mayera, Helmholtza i Joulea u početku naišao, njihova je opšta ideja postajala sve raširenija i primenjivana u praksi fizičkih istraživanja. Ideja da je otkriven novi, veoma važan fizički zakon, a još više, opšti zakon prirodnih nauka, postepeno preuzima umove naučnika. Radovi engleskih naučnika W. Thomsona, W. J. Rankina i njemačkog fizičara R. Clausiusa odigrali su važnu ulogu u razvoju osnovnih principa Mayera, Joulea i Helmholtza.

Prije svega, otkriće zakona održanja i transformacije energije odigralo je odlučujuću ulogu u kasnijim proučavanjima procesa pretvaranja topline u rad, što je dovelo do stvaranja temelja termodinamike. Zakon održanja i transformacije energije primjenjuje se iu drugim oblastima fizike, na primjer, u istraživanjima u elektrodinamici.

V. Thomson je već 1848. godine, oslanjajući se na Jouleov rad, primijenio zakon održanja i transformacije energije na fenomen elektromagnetne indukcije. On je pokazao (nezavisno od Helmholtza) da „ukupni rad utrošen na stvaranje pokreta koji proizvodi elektromagnetnu indukciju mora biti ekvivalentan mehaničkom efektu izgubljenom strujom“ 13 .

Kasnije je Thomson, koristeći zakon održanja i transformacije energije, ponovo istraživao fenomen elektromagnetne indukcije, a potom i fenomen samoindukcije, utvrdivši da se energija provodnika sa strujom može izraziti formulom Li 2 12 2 , gdje je L veličina koja ovisi samo o geometriji provodnika (kasnije nazvana koeficijent samoindukcije). Istražujući pitanje energije magneta i struja, Thomson je 1853. izrazio ovu energiju u obliku integrala koji je preuzeo zapreminu.

Godine 1852. Clausius je primijenio zakon održanja i transformacije energije na električne pojave. U svom radu „O mehaničkom ekvivalentu električnog pražnjenja i zagrevanju provodnika do kojeg dolazi tokom ovog procesa“, Clausius je napisao:

“...kao što se mehanički rad može obaviti kroz toplinu, električna struja može proizvesti djelomično mehaničko djelovanje, a dijelom toplinu.” 14 .

Iste godine Clausius je primijenio zakon održanja energije na energetske procese u kolu jednosmjerne struje, a sljedeće godine na termoelektrične pojave.

Pored Thomsona i Clausiusa, Rankine je radio na razvoju i primjeni zakona održanja i transformacije energije. On je bio prvi koji je široko upotrijebio termin "energija" i pokušao da konceptu energije da opštu definiciju. Pod energijom, Rankine označava sposobnost proizvodnje rada. Definišući pojam energije, on je 1855. godine napisao: „Izraz „energija” podrazumeva svako stanje supstance koje se sastoji u sposobnosti da proizvede rad”; “količina energije se mjeri količinom rada” 15 koji je sposoban da proizvede. Još ranije, 1853. godine, Rankine je podijelio energiju na “stvarnu” i “potencijalnu”. napisao je:

“Stvarna, ili senzibilna, energija je mjerljivo, prenosivo i konvertibilno stanje koje uzrokuje da supstanca promijeni svoje stanje... Kada se takva promjena dogodi, stvarna energija nestaje i zamjenjuje se potencijalnom, ili latentnom energijom, koja se mjeri veličina promjene stanja, otpor prema kojem se ta promjena ostvaruje" 16 .

Pod "stvarnom" energijom Rankine uključuje "živu snagu", toplotu, toplotu zračenja, svjetlost, hemijsko djelovanje i električnu struju, koji su njeni različiti oblici; potencijalnoj energiji - "mehanička sila gravitacije", elastičnost, hemijski afinitet, energija statičkog elektriciteta i magnetizam.

Thomson, koji je prvi upotrijebio termin "stvarna energija" koji je uveo Rankine, kasnije ga je zamijenio "kinetičkom energijom".

Već 50-ih godina, zakon očuvanja i transformacije energije prepoznat je kao opći zakon prirode, koji pokriva sve fizičke pojave. Sada počinje rasprava o prioritetu njegovog otvaranja. Sve je počelo malom kontroverzom između Mayera i Joulea na stranicama francuskog časopisa “Comptes rendus” još 1847-1849. o prioritetu u otkriću mehaničkog ekvivalenta toplote. Godine 1849., prilično rasprostranjene novine u Njemačkoj posebno su se oglasile protiv Mayera, okarakterizirajući ga kao amatera, i upozorile javnost na "izmišljeno otkriće gospodina dr. Mayera", ističući da je navodna nedosljednost njegovog razmišljanja već bila dokazano od strane autoritativnih naučnih krugova. Godine 1851., Mayer je u svom članku „O mehaničkom ekvivalentu toplote“, izlažući istoriju otkrića, napisao:

“Nova teorija je ubrzo počela da privlači pažnju naučnika. Ali pošto se počelo smatrati i ovdje u Njemačkoj i u inostranstvu kao isključivo strano otkriće, to me je navelo da svoja prava stavim kao prioritet.” 17 .

Helmholc je 1851. prvi put spomenuo rad Majera, a 1852. je potvrdio prioritet potonjeg u otkriću zakona održanja i transformacije energije.

„Izjavu o neuništivosti rada mehaničkih sila i ekvivalenciji različitih prirodnih sila sa određenom količinom mehaničkog rada“, napisao je Helmholtz, „prvi je izrekao Mayer“ 18.

“On je za temu svog izvještaja odabrao Mayerova djela i u svom uobičajenom fascinantnom obliku iznio sve glavne zaključke Mayerovih radova. Kada je javnost, silno zainteresovana za ovo pitanje, prirodno poželela da zna ko je vlasnik svih ovih istraživanja, Tyndall je imenovao čoveka koji je, živeći u malom nemačkom gradu, bez ikakve naučne podrške ili ohrabrenja, radio sa neverovatnom energijom i upornošću na razvoju svog briljantnog misli" 20 .

Engleski fizičar Tait oštro se usprotivio priznavanju Majerovog prioriteta u časopisu “Dobre riječi”. Prigovarajući Tyndallu, on je odbio priznati bilo koju od Mayerovih zasluga. Razvila se kontroverza između Taita i Tyndalla. Helmholc i Clausius su odgovorili na to. Ako je Helmholtz vrlo oprezno branio Mayera, Clausius je oštro prigovorio Taitu u vezi s jednim od njegovih članaka. Napisao je da ovaj članak može samo naštetiti

“Posjedujete tako visoku naučnu reputaciju. Svaki čitalac će na prvi pogled vidjeti da se ne radi o nepristranom, istorijskom izlaganju problema, što bi trebalo očekivati od naučnika vašeg ranga, već o članku prožetom partijskom, napisanom samo za veličanje nekolicine pojedinaca.” 21 .

Nakon toga, Tet je nastavio da se protivi Mayerovom prioritetu. Godine 1876. napisao je:

“...došlo je vrijeme da se Mayer... postavi na njegovo pravo mjesto... Zakon održanja energije u svom opštem obliku neosporno su stvorili i eksperimentalno dokazali Kolding u Kopenhagenu i Joule u Manchesteru.” 22 .

U Njemačkoj, iako su Clausius i donekle Helmholtz stali na Mayerovu stranu, Mayer je i dalje bio izložen napadima, koji su ponekad imali oblik ogovaranja. Godine 1858. proširile su se glasine o njegovoj navodnoj smrti. Poggendorff je u svom velikom biografskom rječniku (1863.), na kraju više nego skromnog članka o Mayeru, napisao: “...izgleda da je oko 1858. umro u bolnici za duševne bolesti.” Istina, na kraju knjige stavio je dodatnu "potvrdu" o Mayeru: "Nije mrtav..., ali još uvijek živ" 23.

Konačno, Majerov prioritet branio je E. Dühring 24, koji je istovremeno omalovažavao ulogu Joulea i Helmholtza u otkriću zakona održanja i transformacije energije, što također nije pomoglo jačanju Mayerovog prioriteta.

Borba oko Majerovog prioriteta bila je povezana sa borbom oko razumevanja suštine samog zakona održanja i transformacije energije. Mayer je pristupio razumijevanju ovog zakona sa šire filozofske pozicije nego mnogi njegovi savremenici, a posebno naučnici poput Taita, koji su se pridržavali usko empirijskog pogleda na znanje. Mayer je nesumnjivo bio revolucionar u nauci; u nizu pitanja zauzeo je spontano dijalektičku poziciju, neshvatljivu mnogim njegovim savremenicima, koji se nisu mogli odmaknuti od metafizičkog pogleda na svijet.

Engels je bio prvi koji je ispravno cijenio Mayerove zasluge. Odajući počast Helmholcu, Engels je ipak istakao:

„...Već 1842. Mayer je tvrdio „neuništivost sile“, a 1845., na osnovu svog novog gledišta, mogao je da saopšti mnogo briljantnije stvari o „odnosima između različitih procesa u prirodi“ od Helmholca. 1847." 25 .

Na drugom mjestu Engels je primijetio:

„...kvantitativnu postojanost kretanja već je Dekart izražavao i to gotovo istim izrazima kao i sada (Klauzijus, Robert Majer?). Ali transformacija oblika kretanja otkrivena je tek 1842. godine, a to je, a ne zakon kvantitativne konstantnosti, nov.” 26 .

Majer je bio taj koji je prvi naglasio postojanje kvalitativnih transformacija različitih oblika energije jedne u druge, a nije jednostavno potvrdio njenu kvantitativnu postojanost. To je bilo najvažnije, sa stanovišta opšteg pogleda na svet, u utvrđenom zakonu održanja i transformacije energije, a upravo je ta okolnost izmicala pažnji mnogih naučnika tog vremena, koji su pokušavali da jednostavno dovedu novi zakon pod opštim mehaničkim pogledom na svet, tumačeći ga, poput Helmholca, kao izraz zakona održanja živih sila.

Uspostavljanje zakona održanja i transformacije energije bio je revolucionarni korak u razvoju fizičke nauke i nauke uopšte. Ovaj zakon je povezao sve fizičke fenomene zajedno, eliminirajući metafizičke barijere između pojedinih oblasti fizike, osigurane doktrinom „betežinskog“, kojoj je sada došao kraj. "Betežinska" materija je konačno izbačena iz fizike. Engels je napisao:

“...fizičke sile - ove, da tako kažem, nepromjenjive "vrste" fizike - pretvorile su se u oblike kretanja materije koji se razlikuju na različite načine i pretvaraju jedni u druge prema određenim zakonima. Iz nauke je eliminisana slučajnost prisustva tog i tog broja fizičkih sila, jer je dokazana njihova međusobna povezanost i prelasci jedne u druge.” 27 .

Engels je pridavao veliku važnost uspostavljanju zakona održanja i transformacije energije za ispravan dijalektičko-materijalistički pogled na svijet, stavljajući ga u ravan s otkrićem ćelije i Darwinovom teorijom:

"Zahvaljujući ova tri velika otkrića i drugim ogromnim uspjesima prirodnih znanosti", napisao je. - sada možemo, općenito, otkriti ne samo vezu koja postoji između procesa prirode u njenim pojedinim područjima, već i onu koja postoji između tih pojedinačnih područja. Dakle, uz pomoć činjenica koje pruža sama empirijska prirodna nauka, moguće je u prilično sistematičnom obliku dati opštu sliku nagona kao koherentne celine." 28 .

1 Mayer R. Zakon održanja i transformacije energije. M. - L., GTTI, 1933, str. 62.
2 Mayer R. Zakon održanja i transformacije energije, str. 68-69.
3 Ibid., str. 85-86.
4 Mayer R. Zakon održanja i transformacije energije, str. 130.
5 Goule G. Naučni radovi. Vol. 1, London, 1884, str. 120.
6 Joule J. Naučni radovi Vol. 1, str. 146.
7 Ibid., str. 270-271.
8 Helmholtz G. O očuvanju snage. M., GTTI, 1922, str. 69-70.
9 He1mho11z N. Wissenschaftiche Abhandlungen. V. I. Leipzig, 1882. SS. 26-27.
10 Ovaj Helmholtzov zaključak ne može se smatrati tačnim. Maksvel je na to skrenuo pažnju (vidi: Maxwell J.K. Izabrani radovi o teoriji elektromagnetnog polja. M., Gostekhizdat, 1952, str. 403-405).
11 Helmholtz G. O očuvanju snage. M. - L., GTTI, 1934, str.115.
12 Ibid., str. 124.
13 Thomson W. Matematički i fizički radovi. Vol. 1, Kembridž, 1882. str. 91.
14 Clausius R. Ann. Phys. B. 86, 1852, s. 337.
15 Rankin W. Razni naučni radovi. London, 1881, str. 217.
16 Ibid.
17 Mayer P. Zakon održanja i transformacije energije, str. 279.
18 He1mho11z N. Fortschritte der Physik, V. Gahrgang, 1853, s. 241.
19 Clausius je do 1862. imao loše mišljenje o Mayeru. Tyndallovo pismo, u kojem je tražio da bude obaviješten o Manerovim spisima, natjeralo je Clausiusa da detaljno prouči Mayerova djela, zbog čega je oštro promijenio svoje mišljenje. O tome je obavijestio Tyndalla tako što mu je poslao radove koje je napisao Mayer.
20 Rosenberger F. Istorija fizike, dio III, br. II. M.-JI., ONTI, 1936, str. 55-56.
21 Ibid., str. 57.
22 Ibid., str. 54.
23 Ibid.
24 Tokom E. Robert Mayer, der Galilei des 19. Jahrhunderts, Chemnitz,. 1880.
25 Marx K., Engels F. Soch. Ed. 2nd. T. 20, str. 400.
26 Ibid., str. 5
27 Marx K., Engels F. Soch. Ed. 2-e, T. 20, str. 353.
28 Marx K., Engels F. Soch. Ed. 2nd. T 21, str. 304.

Uvod

1. Osnovno značenje zakona održanja energije

2. Istorija otkrića zakona održanja i transformacije energije

Zaključak

Bibliografija

Uvod

Relevantnost našeg rada je u razmatranju karakteristika zakona održanja energije, koji je posljedica homogenosti vremena i u tom smislu je univerzalan, odnosno svojstven sistemima vrlo različite fizičke prirode.

Svrha rada je proučavanje osnovnih principa zakona održanja energije.

Postizanje cilja uključuje rješavanje niza zadataka:

1) razmotriti osnovno značenje zakona održanja energije;

2) proučavati istoriju otkrića zakona održanja i transformacije energije.

Otkrivači zakona održanja i transformacije energije slijedili su različite puteve do njegovog uspostavljanja. Mayer je, počevši od medicinskih opservacija, odmah to smatrao dubokim, sveobuhvatnim zakonom i otkrio lanac energetskih transformacija iz svemira u živi organizam. Joule je uporno i uporno mjerio kvantitativni odnos između topline i mehaničkog rada. Helmholc je zakon povezao sa istraživanjem velike mehanike 18. veka.

1. Osnovno značenje zakona održanja energije

Zakon održanja energije je „temeljni zakon prirode, ustanovljen empirijski, koji kaže da se energija izolovanog (zatvorenog) fizičkog sistema održava tokom vremena.” Drugim riječima, energija ne može nastati iz ničega i ne može nestati u ništa, može samo prelaziti iz jednog oblika u drugi.

Ovdje je Lagrangeova funkcija, generalizirane koordinate i njihove prve i druge derivacije u odnosu na vrijeme. Koristeći Lagrangeove jednadžbe, izvode zamjenjujemo izrazom:

Prepišimo posljednji izraz u obliku

Iznos u zagradi se, po definiciji, naziva energijom sistema i, pošto je njen ukupni izvod u odnosu na vrijeme jednak nuli, on je integral kretanja (odnosno, očuvan je).

2. Istorija otkrića zakona održanja i transformacije energije

zakon očuvanja energije transformacije

Činilo se da su uspjesi eksperimentalne termofizike, a prije svega kalorimetrije, svjedočili u prilog kaloričnosti. Ali isti XIX vek. doneo vizuelni dokaz o povezanosti toplote i mehaničkog kretanja. Naravno, činjenica da se toplota stvara trenjem poznata je od pamtivijeka. Zagovornici toplote u ovom fenomenu vide nešto slično naelektrisanju tela trenjem – trenje doprinosi istisku kalorija iz tela. Međutim, 1798. godine Benjamin Thompson (1753?1814), koji je postao grof Rumford 1790. godine, napravio je važno zapažanje u minhenskim vojnim radionicama: prilikom bušenja kanala u topovskoj cijevi oslobađa se velika količina topline. Da bi precizno istražio ovaj fenomen, Rumfoord je eksperimentisao sa bušenjem kanala u cilindru koji je mašinski obrađen od metala. Tupa bušilica je postavljena u izbušeni kanal, čvrsto pritisnuta uz zidove kanala i stavljena u rotaciju. Termometar umetnut u cilindar pokazao je da je u roku od 30 minuta rada temperatura porasla za 70 stepeni Farenhajta. Rumford je ponovio eksperiment tako što je uronio cilindar i bušilicu u posudu s vodom. Tokom procesa bušenja voda se zagrijala i proključala nakon 2,5 sata. Rumford je ovaj eksperiment smatrao dokazom da je toplina oblik kretanja.

Prema Mayeru, svi pokreti i promjene u svijetu generirani su „razlikama“ koje stvaraju sile koje nastoje da unište te razlike. Ali kretanje ne prestaje, jer su sile neuništive i obnavljaju razlike. “Dakle, princip prema kojem su jednom date sile kvantitativno nepromijenjene, poput tvari, logično nam osigurava kontinuirano postojanje razlika, a time i materijalnog svijeta.” Ova formulacija koju je predložio Mayer lako je podložna kritici. Pojam „razlike“ nije precizno definisan, nejasno je šta se podrazumeva pod pojmom „sila“. Ovo je predosjećaj zakona, a ne sam zakon. Ali iz daljeg izlaganja jasno je da on pod silom razumije uzrok kretanja, koji se mjeri proizvodom mase i brzine. “Kretanje, toplota i elektricitet su pojave koje se mogu svesti na jednu silu, koje se međusobno mjere i pretvaraju jedna u drugu prema određenim zakonima.” Ovo je vrlo određena i jasna formulacija zakona održanja i transformacije sile, tj. energije.

Polazeći od primjene ideja mehanike na fiziologiju, Mayer počinje razjašnjavanjem koncepta sile. I ovdje opet ponavlja ideju da kretanje ne može nastati ni iz čega, sila je uzrok kretanja, a uzrok kretanja neuništivi predmet. Ova formulacija upadljivo podsjeća na formulaciju Lomonosovljevog „univerzalnog zakona“, koji je on proširio „na sama pravila kretanja“. Imajte na umu da je Lomonosov i Mayer promocija univerzalnog zakona očuvanja kao „vrhovnog zakona prirode“ prihvaćena od strane moderne nauke, koja formuliše brojne specifične zakone očuvanja kao glavni stub naučnog istraživanja. Mayer detaljno izračunava mehanički ekvivalent toplote iz razlike toplotnih kapaciteta gasa (ovaj proračun se često reprodukuje u školskim udžbenicima fizike) i nalazi ga na osnovu merenja Delarochea i Berarda, kao i Dulonga, koji je odredio omjer toplotni kapacitet za vazduh treba da bude 367 kgf-m / kcal.

Lenz je pažljivo osmislio i razvio eksperimentalnu metodologiju, testirao i provjerio tangentni galvanometar, koji mu je služio kao mjerač struje, odredio jedinicu otpora koju je koristio (zapamtite da Ohmov zakon do tada još nije ušao u opću upotrebu), kao i jedinice struje i elektromotorne sile, izražavajući potonje u jedinicama struje i otpora. Lenz je pažljivo proučavao ponašanje otpora, a posebno je istraživao postojanje takozvanog „prelaznog otpora“ prilikom prelaska iz čvrstog u tečnost. Ovaj koncept su uveli neki fizičari u eri kada Ohmov zakon još nije bio opšteprihvaćen. Zatim je prešao na glavni eksperiment, čije je rezultate formulirao u sljedeće dvije odredbe: zagrijavanje žice galvanskom strujom proporcionalno je otporu žice; zagrijavanje žice galvanskom strujom proporcionalno je kvadratu struje koja se koristi za grijanje. Tačnost i temeljitost Lenzovih eksperimenata osigurala je prepoznavanje zakona, koji je u nauku ušao pod imenom Joule-Lenzov zakon.

Rotirajući elektromagnet indukcijske mašine uz pomoć padajućeg utega, Joule je odredio odnos između rada padajućeg utega i toplote koja se stvara u kolu. On je kao prosječan rezultat svojih mjerenja otkrio da se "količina topline koja je sposobna da podigne jednu funtu vode za jedan stepen Farenhajta može pretvoriti u mehaničku silu koja je sposobna podići 838 funti na vertikalnu visinu od jedne stope." Pretvarajući jedinice funta i stopa u kilograme i metre i stepene Farenhajta u stepene Celzijusa, nalazimo da je mehanički ekvivalent toplote, izračunat po Jouleu, jednak 460 kgf-m/kcal. Ovaj zaključak vodi Joulea do drugog, općenitijeg zaključka, koji obećava da će testirati u daljnjim eksperimentima: „Moćne sile prirode... su neuništive, i... u svim slučajevima gdje se troši mehanička sila, tačna ekvivalentna količina dobija se toplota.” On tvrdi da životinjska toplota nastaje kao rezultat hemijskih transformacija u telu i da su same hemijske transformacije rezultat delovanja hemijskih sila koje proizilaze iz "pada atoma". Tako, u delu iz 1843, Joule dolazi do isti zaključci do kojih je Mayer ranije došao .

Joule je nastavio svoje eksperimente 60-ih i 70-ih godina. Godine 1870. postao je član komisije za određivanje mehaničkog ekvivalenta toplote. U ovu komisiju su bili V. Thomson, Maxwell i drugi naučnici. Ali Joule se nije ograničio na rad eksperimentatora. On je odlučno zauzeo stanovište kinetičke teorije toplote i postao jedan od osnivača kinetičke teorije gasova. O ovom Jouleovom djelu će biti riječi kasnije. Za razliku od svojih prethodnika, Helmholtz povezuje zakon s principom nemogućnosti perpetuum mobile-a (perpetuum mobile). Ovaj princip je prihvatio Leonardo da Vinči, naučnik iz 17. veka. (zapamti da je Stevin zasnovao zakon nagnute ravni na nemogućnosti perpetualnog kretanja), i konačno, u 18. veku. Pariška akademija nauka odbila je da razmatra projekte perpetualnog pokreta. Helmholtz smatra da je princip nemogućnosti vječnog kretanja identičan principu da se „sve radnje u prirodi mogu svesti na privlačne ili odbojne sile“. Helmholc posmatra materiju kao pasivnu i nepokretnu. Da bi se opisali promjene koje se dešavaju u svijetu, on mora biti obdaren silama privlačnosti i odbojnosti. “Fenomeni prirode”, piše Helmholtz, “moraju se svesti na kretanje materije sa stalnim pokretačkim silama koje zavise samo od prostornih odnosa.” Otkrivači zakona održanja i transformacije energije slijedili su različite puteve do njegovog uspostavljanja. Mayer je, počevši od medicinskih opservacija, odmah to smatrao dubokim, sveobuhvatnim zakonom i otkrio lanac energetskih transformacija iz svemira u živi organizam. Joule je uporno i uporno mjerio kvantitativni odnos između topline i mehaničkog rada. Helmholc je zakon povezao sa istraživanjem velike mehanike 18. veka. Idući različitim putevima, oni su se, zajedno sa mnogim drugim savremenicima, uporno borili za odobrenje i priznanje zakona uprkos protivljenju esnafskih naučnika. Borba nije bila laka i ponekad je postajala tragična, ali je završila potpunom pobjedom. Nauka je dobila na raspolaganje veliki zakon održanja i transformacije energije.

Zaključak

Bibliografija

1. 100 velikih naučnih otkrića / pod D.K. Samina. - M.: Veche, 2002. - 480 str.

2. Antošina, L.G., Pavlov, S.V., Skipetrova, L.A. Opća fizika. Zbirka zadataka / L.G. Antošina, S.V. Pavlov, L.A. Skipetrova. - M.: Infra-M, 2008. - 336 str.

3. Blokhintsev, D.I. Osnove kvantne mehanike / D.I. Blokhintsev. - Sankt Peterburg: Lan, 2004. - 672 str.

4. Dukov, V.M. Istorija formulacije zakona održanja energije / V.M. Dukov // Fizika. -- M.: Prvi septembar. -- 2002. -- br. 31/02. -- P. 32--34.

5. Kubo, R. Termodinamika / R. Kubo. - M.: Nauka, 2007. - 307 str.

6. Sivukhin, D.V. Opšti kurs fizike / D.V. Sivukhin. - M.: Fizmatlit, 2004. - 656 str.

7. Tipler, P.A., Llewellyn, R.A. Moderna fizika / P.A. Tipler, R.A. Llewellyn. - M.: Mir, 2007. - 496 str.

Slični dokumenti

Tumačenje pojma „žive sile“ u naučnim radovima Descartesa, Leibniza, Newtona, Junga. Upoznavanje sa sadržajem zakona održanja i transformacije energije u mehanici. Razmatranje kalorijskih i kinetičkih teorija procesa pretvaranja rada u toplinu.

sažetak, dodan 30.07.2010

Determinizam kao doktrina objektivnog, prirodnog odnosa i međuzavisnosti pojava u materijalnom i duhovnom svijetu. Opšte karakteristike zakona održanja, istorija otkrića zakona održanja materije. Evolucija zakona održanja energije.

sažetak, dodan 29.11.2009

Simetrija i njena značenja: proporcionalna (uravnotežena) i ravnoteža. Simetrija prirode u fizici, njene temeljne teorije. Zakoni održanja: zakon promjene i zakon održanja ukupne energije, zakon održanja impulsa, zakon održanja naelektrisanja.

sažetak, dodan 01.05.2008

Osnovni zakoni održanja (zakon održanja energije, zakon održanja količine gibanja, zakon održanja ugaone količine gibanja). Veza zakona održanja sa simetrijom prostora i vremena. Simetrija kao osnova za opisivanje objekata i procesa u mikrosvijetu.

sažetak, dodan 17.11.2014

Hijerarhija prirodnih naučnih zakona. Zakoni o očuvanju. Odnos između zakona očuvanja i simetrije sistema. Osnovni fizički zakoni prema kojima se, pod određenim uslovima, određene fizičke veličine ne mijenjaju tokom vremena.

sažetak, dodan 17.10.2005

Zakoni održanja mase i energije u makroskopskim procesima. Samoorganizacija hemijskih sistema i energetika hemijskih procesa. Osobine biološkog nivoa organizacije materije. Zagađenje životne sredine: atmosfera, voda, tlo, hrana.

test, dodano 11.11.2010

Zakon održanja mase kao jedan od osnovnih zakona prirodne nauke. Odnos između energije mirovanja i tjelesne mase Einstein, teorija relativnosti. Međusobna konverzija mase i energije u nuklearnu energiju. Fizička suština vatre, priroda mase.

sažetak, dodan 23.04.2010

Dinamički zakoni u makrokosmosu i statični u mikrokosmosu. Zakon održanja energije i nemogućnost stvaranja perpetualnog motora prve vrste. Drugi zakon termodinamike i nemogućnost stvaranja perpetualnog motora druge vrste. Energija hemijskih procesa.

test, dodano 20.06.2010

Koncept simetrije kao nepromjenjivosti (invarijantnosti) svojstava i karakteristika objekta u odnosu na bilo koje transformacije (operacije) na njemu. Važnost zakona održanja (impulsa, energije, naboja) za nauku. Izotropija prostor-vremena.

kurs, dodan 04.11.2011

Putevi razvoja prirodne nauke u 18.-19. veku. Osobine Kant–Laplaceove kosmogonijske teorije. Zakon održanja i transformacije energije. Stanična struktura biljaka i životinja. Darwinova teorija evolucije. Mendeljejevljev periodni sistem elemenata.

Zakon održanja i transformacije energije jedan je od najvažnijih postulata fizike. Razmotrimo povijest njegovog izgleda, kao i glavna područja primjene.

Stranice istorije

Prvo, hajde da saznamo ko je otkrio zakon održanja i transformacije energije. Godine 1841. engleski fizičar Joule i ruski naučnik Lenz izveli su paralelne eksperimente, kao rezultat kojih su naučnici mogli u praksi razjasniti odnos između mehaničkog rada i topline.

Brojne studije koje su fizičari proveli u različitim dijelovima naše planete predodredili su otkriće zakona održanja i transformacije energije. Sredinom devetnaestog veka, nemački naučnik Majer dao je njegovu formulaciju. Naučnik je pokušao da sumira sve informacije o elektricitetu, mehaničkom kretanju, magnetizmu i ljudskoj fiziologiji koje su postojale u to vrijeme.

Otprilike u istom periodu, slična razmišljanja izneli su naučnici u Danskoj, Engleskoj i Nemačkoj.

Eksperimenti sa toplotom

Uprkos raznovrsnosti ideja o toploti, potpuno razumevanje je dao samo ruski naučnik Mihail Vasiljevič Lomonosov. Njegovi savremenici nisu podržavali njegove ideje; verovali su da toplota nije povezana sa kretanjem najmanjih čestica koje čine materiju.

Zakon održanja i transformacije mehaničke energije, koji je predložio Lomonosov, podržan je tek nakon što je Rumford tokom eksperimenata uspeo da dokaže prisustvo kretanja čestica unutar materije.

Da bi dobio toplotu, fizičar Davy je pokušao da otopi led trljajući dva komada leda jedan o drugi. Iznio je hipotezu prema kojoj se toplina smatra oscilatornim kretanjem čestica materije.

Prema Mayeru, zakon održanja i transformacije energije pretpostavljao je nepromjenjivost sila koje uzrokuju pojavu topline. Ovu ideju su kritizirali drugi naučnici, koji su podsjetili da je sila povezana sa brzinom i masom, pa stoga njena vrijednost ne može ostati konstantna vrijednost.

Krajem devetnaestog veka, Majer je sažeo svoje ideje u pamflet i pokušao da reši gorući problem toplote. Kako se u to vrijeme koristio zakon održanja i transformacije energije? U mehanici nije postojao konsenzus o metodama dobijanja i pretvaranja energije, pa je sve do kraja devetnaestog veka ovo pitanje ostalo otvoreno.

Karakteristika zakona

Zakon održanja i transformacije energije je jedan od osnovnih, koji omogućava, pod određenim uslovima, merenje fizičkih veličina. Zove se prvi zakon termodinamike, čiji je glavni cilj očuvanje ove količine u uslovima izolovanog sistema.

Zakon održanja i transformacije energije uspostavlja vezu između količine toplotne energije koja ulazi u zonu interakcije različitih supstanci sa količinom koja napušta ovu zonu.

Prelazak jedne vrste energije u drugu ne znači da ona nestaje. Ne, samo se posmatra njegova transformacija u drugi oblik.

U ovom slučaju postoji odnos: rad – energija. Zakon održanja i transformacije energije pretpostavlja konstantnost ove količine (njene ukupne količine) tokom bilo kojeg procesa koji se odvija u ovoj sredini, što ukazuje da se u procesu prelaska jedne vrste u drugu uočava kvantitativna ekvivalencija. Da bi se dali kvantitativni opis različitih tipova kretanja, u fiziku su uvedene nuklearna, hemijska, elektromagnetna i toplotna energija.

Moderna formulacija

Kako se danas čita zakon održanja i transformacije energije? Klasična fizika nudi matematički prikaz ovog postulata u obliku generalizovane jednadžbe stanja termodinamičkog zatvorenog sistema:

Ova jednačina pokazuje da je ukupna mehanička energija zatvorenog sistema određena kao zbir kinetičke, potencijalne i unutrašnje energije.

Zakon održanja i transformacije energije, čija je formula gore predstavljena, objašnjava nepromjenjivost ove fizičke veličine u zatvorenom sistemu.

Glavni nedostatak matematičke notacije je njena relevantnost samo za zatvoreni termodinamički sistem.

Otvoreni sistemi

Ako uzmemo u obzir princip inkremenata, sasvim je moguće proširiti zakon održanja energije na fizičke sisteme otvorene petlje. Ovaj princip preporučuje zapisivanje matematičkih jednačina koje se odnose na opis stanja sistema ne u apsolutnim terminima, već u njihovim numeričkim priraštajima.

Kako bi se u potpunosti uzeli u obzir svi oblici energije, predloženo je da se klasičnoj jednačini idealnog sistema doda zbir prirasta energije koji su uzrokovani promjenama stanja analiziranog sistema pod utjecajem različitih oblika polje.

U generaliziranoj verziji to izgleda ovako:

dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj

Upravo se ova jednadžba smatra najpotpunijom u modernoj fizici. Upravo je to postalo osnova zakona održanja i transformacije energije.

Značenje

U nauci nema izuzetaka od ovog zakona; on upravlja svim prirodnim pojavama. Na osnovu ovog postulata mogu se postaviti hipoteze o različitim motorima, uključujući i pobijanje realnosti razvoja vječnog mehanizma. Može se koristiti u svim slučajevima kada je potrebno objasniti prelaze jedne vrste energije u drugu.

Primjena u mehanici

Kako se danas čita zakon održanja i transformacije energije? Njegova suština leži u prelasku jedne vrste ove količine u drugu, ali istovremeno njena opća vrijednost ostaje nepromijenjena. Oni sistemi u kojima se izvode mehanički procesi nazivaju se konzervativni. Takvi sistemi su idealizirani, odnosno ne uzimaju u obzir sile trenja i druge vrste otpora koji uzrokuju disipaciju mehaničke energije.

U konzervativnom sistemu se dešavaju samo međusobni prelazi potencijalne energije u kinetičku energiju.

Rad sila koje djeluju na tijelo u takvom sistemu nije povezan s oblikom putanje. Njegova vrijednost ovisi o konačnom i početnom položaju tijela. Kao primjer sila ove vrste u fizici razmatra se gravitacija. U konzervativnom sistemu, količina rada koju izvrši sila u zatvorenom preseku je nula, a zakon održanja energije važiće u sledećem obliku: „U konzervativnom zatvorenom sistemu, zbir potencijalne i kinetičke energije tijela koja čine sistem ostaje nepromijenjena.”

Na primjer, u slučaju slobodnog pada tijela potencijalna energija se pretvara u kinetički oblik, dok se ukupna vrijednost ovih tipova ne mijenja.

Konačno

Mehanički rad se može smatrati jedinim načinom međusobnog prelaska mehaničkog kretanja u druge oblike materije.

Ovaj zakon je našao primenu u tehnologiji. Nakon gašenja motora automobila dolazi do postepenog gubitka kinetičke energije, nakon čega dolazi do zaustavljanja vozila. Istraživanja su pokazala da se u ovom slučaju oslobađa određena količina topline, pa se tijela koja trljaju zagrijavaju, povećavajući njihovu unutrašnju energiju. U slučaju trenja ili bilo kakvog otpora kretanju, uočava se prijelaz mehaničke energije u unutrašnju vrijednost, što ukazuje na ispravnost zakona.

Njegova moderna formulacija izgleda ovako: „Energija izolovanog sistema ne nestaje niotkuda, ne pojavljuje se niotkuda. U bilo kojoj pojavi koja postoji unutar sistema, dolazi do prijelaza s jedne vrste energije na drugu, prijenosa s jednog tijela na drugo, bez kvantitativnih promjena.”

Nakon otkrića ovog zakona, fizičari ne odustaju od ideje da stvore perpetual motor, u kojem, u zatvorenom ciklusu, ne bi došlo do promjene količine toplote koju sistem prenosi na okolni svijet. , u poređenju sa toplotom primljenom izvana. Takva mašina bi mogla postati nepresušni izvor topline, način da se riješi energetski problem čovječanstva.