Entdeckung des Energieerhaltungssatzes. Schullexikon

Eine wichtige Rolle bei der Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung spielten die Arbeiten von E.Kh. Lenz und insbesondere seine Entdeckung des Gesetzes über die Richtung des induzierten Stroms und des Reversibilitätsprinzips elektrischer Maschinen. Eine wichtige Voraussetzung für die Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung war der Erfolg der Biologie. Der Mythos von der besonderen „Lebenskraft“ im menschlichen und tierischen Körper wurde zerstreut. Es wurde ein direkter Zusammenhang zwischen der aufgenommenen Nahrungsmenge und der Arbeitsfähigkeit festgestellt.

MEHR SEHEN:

Der Energieerhaltungssatz wurde nicht von einem Physiker, sondern von einem Arzt entdeckt.

Im Jahr 1840 öffnete der Schiffsarzt, der Deutsche Robert Mayer, auf der Insel Java die Vene eines Patienten und ... zu seinem Entsetzen stellte er fest, dass nicht dunkles, sondern scharlachrotes Blut floss! Ist es wirklich in einer Arterie statt in einer Vene gelandet?! Die Angst des Arztes wurde damit erklärt, dass aus dem Herzen scharlachrotes Blut durch die Arterien fließt – das ist mit Sauerstoff gefülltes Blut. Und zurück zum Herzen fließt das Blut durch die Adern. Venöses Blut speichert wenig Sauerstoff, weshalb es eine dunkelrote Farbe hat. Eine Blutung aus einer Arterie ist tödlich.

Die örtlichen Ärzte beruhigten Mayer jedoch: Sie erklärten, dass hier in den Tropen das venöse Blut der Menschen genauso scharlachrot sei wie ihr arterielles Blut.

"Warum passiert das? - Mayer denkt. - Vielleicht liegt es daran, dass die Lufttemperatur hier fast der Temperatur des menschlichen Körpers entspricht... Der Körper muss (zu diesem Zeitpunkt) keine Kraft aufwenden Energie auch Kraft genannt!), um die Körpertemperatur aufrechtzuerhalten, sodass Sauerstoff im Blut verbleibt – schließlich ist es die Verbrennung von Sauerstoff, die Kraft verleiht. Aber das bedeutet diese Stärke Gerettet : Es verändert sich nur von einer Art zur anderen, verschwindet aber nie oder erscheint aus dem Nichts.“

Bei der Entwicklung seiner Idee untersuchte Mayer alle ihm bekannten Energieumwandlungen – kinetische in potentielle und umgekehrt, mechanische Energie in innere und innere Energie in mechanische und untersuchte elektrische und chemische Energie.

Unabhängig von Mayer, aber einige Jahre später, wurde der Energieerhaltungssatz vom englischen Physiker James Joule und dem deutschen Naturforscher Hermann Helmholtz entdeckt.

Alle diese Wissenschaftler waren sehr jung, als sie ihre große Entdeckung machten: Mayer war 28 Jahre alt, Joule war 25 und Helmholtz war 26.

Lange vor den Entdeckungen von Mayer, Joule und Helmholtz kam der herausragende russische Wissenschaftler Michail Wassiljewitsch Lomonossow der Entdeckung des Energieerhaltungssatzes sehr nahe.

Doch leider blieben Lomonossows Werke den europäischen Wissenschaftlern lange Zeit unbekannt.

Die Idee der gegenseitigen Umwandlung mechanischer und innerer Energie wurde, auch vor den Entdeckungen von Mayer, Joule und Helmholtz, von dem Physiker und Ingenieur Thompson geäußert, der als Graf Rumford bekannt wurde.

Grundlegende Bedeutung des Energieerhaltungssatzes

Der Energieerhaltungssatz ist „ein grundlegendes empirisch festgestelltes Naturgesetz, das besagt, dass die Energie eines isolierten (geschlossenen) physikalischen Systems über die Zeit erhalten bleibt.“ Mit anderen Worten: Energie kann nicht aus dem Nichts kommen und nicht im Nichts verschwinden, sie kann sich nur von einer Form in eine andere bewegen.

Aus fundamentaler Sicht ist das Energieerhaltungsgesetz nach dem Noether-Theorem eine Folge der Homogenität der Zeit und in diesem Sinne universell, d. h. in Systemen sehr unterschiedlicher physikalischer Natur verankert. Mit anderen Worten: Für jedes spezifische geschlossene System, unabhängig von seiner Natur, ist es möglich, eine bestimmte Größe namens Energie zu bestimmen, die über die Zeit erhalten bleibt. Darüber hinaus wird die Erfüllung dieses Erhaltungssatzes in jedem spezifischen System durch die Unterordnung dieses Systems unter seine spezifischen Dynamikgesetze gerechtfertigt, die im Allgemeinen für verschiedene Systeme unterschiedlich sind.

Allerdings ist der Energieerhaltungssatz in verschiedenen Zweigen der Physik aus historischen Gründen unterschiedlich formuliert und spricht daher von der Erhaltung verschiedener Energiearten. Beispielsweise wird in der Thermodynamik der Energieerhaltungssatz als erster Hauptsatz der Thermodynamik ausgedrückt.

Da der Energieerhaltungssatz nicht für bestimmte Größen und Phänomene gilt, sondern ein allgemeines Muster widerspiegelt, das überall und immer gilt, ist es richtiger, ihn nicht als Gesetz, sondern als Energieerhaltungssatz zu bezeichnen.

Aus mathematischer Sicht entspricht der Energieerhaltungssatz der Aussage, dass ein System von Differentialgleichungen, das die Dynamik eines gegebenen physikalischen Systems beschreibt, ein erstes Bewegungsintegral hat, das mit der Symmetrie der Gleichungen in Bezug auf die Zeit verbunden ist Schicht.

Nach dem Noether-Theorem ist jedem Erhaltungssatz eine bestimmte Symmetrie der das System beschreibenden Gleichungen zugeordnet. Insbesondere ist der Energieerhaltungssatz gleichbedeutend mit der Homogenität der Zeit, also der Unabhängigkeit aller das System beschreibenden Gesetze von dem Zeitpunkt, zu dem das System betrachtet wird.

Die Schlussfolgerung dieser Aussage kann beispielsweise auf der Grundlage des Lagrange-Formalismus gezogen werden. Wenn die Zeit homogen ist, hängt die das System beschreibende Lagrange-Funktion nicht explizit von der Zeit ab, daher hat ihre gesamte Ableitung nach der Zeit die Form:

Hier ist die Lagrange-Funktion, die verallgemeinerten Koordinaten und ihre ersten bzw. zweiten Ableitungen nach der Zeit. Unter Verwendung der Lagrange-Gleichungen ersetzen wir die Ableitungen durch den Ausdruck:

Schreiben wir den letzten Ausdruck im Formular um

Der Betrag in Klammern wird per Definition als Energie des Systems bezeichnet und ist, da seine Gesamtableitung nach der Zeit gleich Null ist, ein Integral der Bewegung (d. h. er bleibt erhalten).

Die Geschichte der Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung

Im Jahr 1841 bewiesen der russische Wissenschaftler Lenz und der Engländer Joule nahezu gleichzeitig und unabhängig voneinander experimentell, dass durch mechanische Arbeit Wärme erzeugt werden kann. Joule definierte das mechanische Äquivalent von Wärme. Diese und andere Studien bereiteten die Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung vor. 1842-1845 Der deutsche Wissenschaftler R. Mayer formulierte dieses Gesetz auf der Grundlage einer Verallgemeinerung naturwissenschaftlicher Daten über mechanische Bewegung, Elektrizität, Magnetismus, Chemie und sogar die menschliche Physiologie. Gleichzeitig wurden ähnliche Ideen in England (Grove) und Dänemark (Kolding) geäußert. Etwas später wurde dieses Gesetz von Helmholtz (Deutschland) entwickelt.

Bereits im 17. Jahrhundert wurden Ansichten über Wärme als eine Form der Bewegung kleinster „unempfindlicher“ Materieteilchen geäußert. F. Bacon, Descartes, Newton, Hooke und viele andere kamen auf die Idee, dass Wärme mit der Bewegung von Materieteilchen verbunden ist. Aber Lomonossow entwickelte und verteidigte diese Idee mit aller Vollständigkeit und Sicherheit. Allerdings war er der Einzige; seine Zeitgenossen stellten sich auf die Seite des Kalorienkonzepts, und wie wir gesehen haben, wurde dieses Konzept von vielen herausragenden Wissenschaftlern des 19. Jahrhunderts geteilt.

Die Erfolge der experimentellen Thermophysik und vor allem der Kalorimetrie schienen für die Kalorik zu sprechen. Aber das gleiche XIX Jahrhundert. brachte visuelle Beweise für den Zusammenhang zwischen Wärme und mechanischer Bewegung. Dass durch Reibung Wärme entsteht, ist natürlich schon seit jeher bekannt. Befürworter der Wärme sahen in diesem Phänomen etwas Ähnliches wie die Elektrifizierung von Körpern durch Reibung – Reibung hilft dabei, dem Körper Kalorien zu entziehen. Doch im Jahr 1798 machte Benjamin Thompson (1753-1814), der 1790 Graf Rumfoord wurde, in den Münchner Militärwerkstätten eine wichtige Beobachtung: Beim Bohren eines Kanals in ein Kanonenrohr wird viel Wärme freigesetzt. Um dieses Phänomen genau zu untersuchen, experimentierte Rumfoord damit, einen Kanal in einen aus Rotguss gefertigten Zylinder zu bohren. Ein stumpfer Bohrer wurde in den gebohrten Kanal eingeführt, fest gegen die Kanalwände gedrückt und in Rotation versetzt. Ein in den Zylinder eingesetztes Thermometer zeigte, dass die Temperatur innerhalb von 30 Minuten nach dem Betrieb um 70 Grad Fahrenheit gestiegen war. Rumfoord wiederholte das Experiment, indem er den Zylinder und den Bohrer in ein Gefäß mit Wasser tauchte. Während des Bohrvorgangs erhitzte sich das Wasser und kochte nach 2,5 Stunden. Rumfoord betrachtete dieses Experiment als Beweis dafür, dass Wärme eine Form der Bewegung ist.

Davy wiederholte seine Experimente zur Wärmegewinnung durch Reibung. Er schmolz Eis, indem er zwei Stücke aneinander rieb. Davy kam zu dem Schluss, dass die Kalorienhypothese aufgegeben und Wärme als oszillierende Bewegung von Materieteilchen betrachtet werden sollte.

Laut Mayer werden alle Bewegungen und Veränderungen in der Welt durch „Unterschiede“ erzeugt, die Kräfte hervorbringen, die diese Unterschiede zerstören wollen. Aber die Bewegung hört nicht auf, denn die Kräfte sind unzerstörbar und stellen Unterschiede wieder her. „Das Prinzip, nach dem einmal gegebene Kräfte wie Substanzen quantitativ unveränderlich sind, sichert uns logischerweise den Fortbestand der Unterschiede und damit der materiellen Welt.“ Diese von Mayer vorgeschlagene Formulierung ist leicht kritikwürdig. Der Begriff „Differenz“ ist nicht genau definiert; es ist unklar, was mit dem Begriff „Kraft“ gemeint ist. Dies ist eine Vorahnung des Gesetzes und nicht des Gesetzes selbst. Aus der weiteren Darstellung wird aber deutlich, dass er unter Kraft die Ursache der Bewegung versteht, die am Produkt aus Masse und Geschwindigkeit gemessen wird. „Bewegung, Wärme und Elektrizität sind auf eine Kraft reduzierbare Phänomene, die aneinander gemessen werden und sich nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten ineinander umwandeln.“ Dies ist eine sehr eindeutige und klare Formulierung des Gesetzes der Krafterhaltung und -umwandlung, d.h. Energie.

Um die Ideen der Mechanik auf die Physiologie anzuwenden, beginnt Mayer mit der Klärung des Kraftbegriffs. Und hier wiederholt er erneut die Idee, dass Bewegung nicht aus dem Nichts entstehen kann, Kraft die Ursache der Bewegung ist und die Ursache der Bewegung ein unzerstörbares Objekt ist. Diese Formulierung erinnert auffallend an die Formulierung von Lomonossows „universellem Gesetz“, das er „bis auf die Regeln der Bewegung selbst“ ausdehnte. Beachten Sie, dass Lomonosovs und Mayers Förderung des universellen Naturschutzgesetzes als „oberstes Naturgesetz“ von der modernen Wissenschaft akzeptiert wird, die zahlreiche spezifische Naturschutzgesetze als Hauptpfeiler der wissenschaftlichen Forschung formuliert. Mayer berechnet das mechanische Wärmeäquivalent im Detail aus der Differenz der Wärmekapazitäten von Gas (diese Berechnung wird oft in Schulphysiklehrbüchern wiedergegeben) und findet es auf der Grundlage der Messungen von Delaroche und Bérard sowie Dulong, die das Verhältnis von ermittelt haben Die Wärmekapazität für Luft beträgt 367 kgf-m / kcal.

Mayer vollendete die Entwicklung seiner Ideen im Jahr 1848, als er in der Broschüre „Dynamics of the Sky in a Popular Presentation“ das wichtigste Problem der Quelle der Sonnenenergie aufstellte und zu lösen versuchte. Mayer erkannte, dass chemische Energie nicht ausreichte, um den enormen Energieaufwand der Sonne auszugleichen. Von den anderen Energiequellen seiner Zeit kannte man jedoch nur mechanische Energie. Und Mayer kam zu dem Schluss, dass die Hitze der Sonne durch das Bombardement von Meteoriten ergänzt wird, die von allen Seiten kontinuierlich aus dem umgebenden Weltraum auf sie fallen. Er gibt zu, dass die Entdeckung zufällig gemacht wurde (eine Beobachtung in Java), aber „sie ist immer noch mein Eigentum und ich zögere nicht, mein Prioritätsrecht zu verteidigen.“ Mayer weist weiter darauf hin, dass das Energieerhaltungsgesetz „sowie sein numerischer Ausdruck, das mechanische Äquivalent der Wärme, fast gleichzeitig in Deutschland und England veröffentlicht wurden“. Er verweist auf Joules Forschungen und gibt zu, dass Joule das Gesetz der Erhaltung und Umwandlung der Energie „bedingungslos unabhängig entdeckt“ habe und dass ihm „zahlreiche wichtige Errungenschaften bei der weiteren Begründung und Entwicklung dieses Gesetzes zu verdanken sind“. Aber Mayer ist nicht geneigt, sein Recht auf Priorität aufzugeben, und weist darauf hin, dass aus seinen Werken selbst klar hervorgeht, dass er nicht auf Wirkung aus ist. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Sie die Rechte an Ihrem Eigentum aufgeben.

Lange vor Joule begann der St. Petersburger Akademiker E.Kh. mit der Forschung. Lenz, der sein Werk 1843 unter dem Titel „Über die Gesetze der Wärmeerzeugung durch galvanischen Strom“ veröffentlichte. Lenz erwähnt die Arbeit von Joule, deren Veröffentlichung der von Lenz vorausging, glaubt jedoch, dass seine Ergebnisse zwar „im Wesentlichen mit denen von Joule übereinstimmen“, sie jedoch frei von den berechtigten Einwänden sind, die Joules Arbeit hervorruft.

Lenz untersuchte sorgfältig das Verhalten von Widerständen, insbesondere untersuchte er die Existenz des sogenannten „Übergangswiderstands“ beim Übergang vom Feststoff in die Flüssigkeit. Dieses Konzept wurde von einigen Physikern in einer Zeit eingeführt, als das Ohmsche Gesetz noch nicht allgemein akzeptiert war. Dann ging er zum Hauptexperiment über, dessen Ergebnisse er in den folgenden zwei Bestimmungen formulierte: Die Erwärmung des Drahtes durch galvanischen Strom ist proportional zum Widerstand des Drahtes; Die Erwärmung des Drahtes durch galvanischen Strom ist proportional zum Quadrat des zum Erhitzen verwendeten Stroms. Die Genauigkeit und Gründlichkeit von Lenz‘ Experimenten sicherten die Anerkennung des Gesetzes, das unter dem Namen Joule-Lenz-Gesetz in die Wissenschaft einging.

Joule machte seine Experimente zur Wärmefreisetzung durch elektrischen Strom zum Ausgangspunkt für weitere Forschungen zum Zusammenhang zwischen Wärme und Arbeit. Bereits in seinen ersten Experimenten begann er zu vermuten, dass die im Draht, der die Pole einer galvanischen Batterie verbindet, erzeugte Wärme durch chemische Umwandlungen in der Batterie entsteht, d. h. er begann, die energetische Bedeutung des Gesetzes zu erkennen. Um die Frage nach dem Ursprung der „Jouleschen Wärme“ (wie die durch einen elektrischen Strom erzeugte Wärme heute genannt wird) weiter zu klären, begann er, die durch einen induzierten Strom freigesetzte Wärme zu untersuchen. In seinem Aufsatz „On the Thermal Effect of Magnetoelectricity and the Mechanical Effect of Heat“, den er auf einer Tagung der British Association im August 1843 vorstellte, kam Joule zu dem Schluss, dass Wärme durch mechanische Arbeit unter Verwendung von Magnetoelektrizität (elektromagnetische Induktion) und dieser Wärme erzeugt werden kann ist proportional zum Quadrat des Kraftinduktionsstroms.

Indem er den Elektromagneten einer Induktionsmaschine mit Hilfe eines fallenden Gewichts drehte, bestimmte Joule den Zusammenhang zwischen der Arbeit des fallenden Gewichts und der im Stromkreis erzeugten Wärme. Als durchschnittliches Ergebnis seiner Messungen stellte er fest, dass „die Wärmemenge, die ein Pfund Wasser um ein Grad Fahrenheit anheben kann, in eine mechanische Kraft umgewandelt werden kann, die in der Lage ist, 838 Pfund auf eine vertikale Höhe von einem Fuß zu heben.“ ." Wenn wir die Einheiten Pfund und Fuß in Kilogramm und Meter und Grad Fahrenheit in Grad Celsius umrechnen, stellen wir fest, dass das mechanische Wärmeäquivalent, berechnet durch Joule, 460 kgf-m / kcal beträgt. Diese Schlussfolgerung führt Joule zu einer weiteren, allgemeineren Schlussfolgerung, die er in weiteren Experimenten zu überprüfen verspricht: „Die mächtigen Kräfte der Natur ... sind unzerstörbar, und ... in allen Fällen, in denen mechanische Kraft aufgewendet wird, ist genau die gleiche Menge an Kraft erforderlich.“ Wärme entsteht.“ Er argumentiert, dass tierische Wärme durch chemische Umwandlungen im Körper entsteht und dass chemische Umwandlungen selbst das Ergebnis der Wirkung chemischer Kräfte sind, die aus dem „Fall von Atomen“ entstehen Dieselben Schlussfolgerungen, zu denen Mayer zuvor gelangt war.

Helmholtz hält das Prinzip der Unmöglichkeit des Perpetuum Mobile für identisch mit dem Prinzip, dass „alle Wirkungen in der Natur auf anziehende oder abstoßende Kräfte reduziert werden können“. Helmholtz betrachtet Materie als passiv und unbeweglich. Um die Veränderungen zu beschreiben, die in der Welt stattfinden, muss sie sowohl mit anziehenden als auch abstoßenden Kräften ausgestattet sein. „Die Phänomene der Natur“, schreibt Helmholtz, „müssen auf Bewegungen der Materie mit unveränderlichen Antriebskräften reduziert werden, die nur von räumlichen Beziehungen abhängen.“ Die Entdecker des Energieerhaltungs- und Energieumwandlungsgesetzes gingen unterschiedliche Wege zu seiner Begründung. Mayer begann mit der medizinischen Beobachtung und betrachtete es sofort als ein tiefgreifendes, umfassendes Gesetz und enthüllte eine Kette von Energieumwandlungen vom Weltraum bis zum lebenden Organismus. Joule hat beharrlich und beharrlich den quantitativen Zusammenhang zwischen Wärme und mechanischer Arbeit gemessen. Helmholtz verband das Recht mit der Forschung der großen Mechaniker des 18. Jahrhunderts. Auf unterschiedlichen Wegen kämpften sie zusammen mit vielen anderen Zeitgenossen trotz des Widerstands der Zunftwissenschaftler beharrlich für die Genehmigung und Anerkennung des Gesetzes. Der Kampf war nicht einfach und wurde manchmal tragisch, aber er endete mit einem vollständigen Sieg. Der Wissenschaft steht das große Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung zur Verfügung.

Der Energieerhaltungssatz ist ein empirisch begründetes Grundgesetz der Natur, das besagt, dass die Energie eines isolierten (geschlossenen) physikalischen Systems über die Zeit erhalten bleibt. Mit anderen Worten: Energie kann nicht aus dem Nichts kommen und nicht im Nichts verschwinden, sie kann sich nur von einer Form in eine andere bewegen.

Allerdings ist der Energieerhaltungssatz in verschiedenen Teilgebieten der Physik aus historischen Gründen unterschiedlich formuliert und spricht daher von der Erhaltung verschiedener Energiearten. Beispielsweise wird in der Thermodynamik der Energieerhaltungssatz als erster Hauptsatz der Thermodynamik ausgedrückt. Da der Energieerhaltungssatz nicht für bestimmte Größen und Phänomene gilt, sondern ein allgemeines Muster widerspiegelt, das überall und immer gilt, ist es richtiger, ihn nicht als Gesetz, sondern als Energieerhaltungssatz zu bezeichnen.

Der russische Wissenschaftler Lenz und der Engländer Joule haben nahezu gleichzeitig und unabhängig voneinander experimentell nachgewiesen, dass durch mechanische Arbeit Wärme erzeugt werden kann. Joule definierte das mechanische Äquivalent von Wärme. Diese und andere Studien bereiteten die Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung vor. 1842-1845 Der deutsche Wissenschaftler R. Mayer formulierte dieses Gesetz auf der Grundlage einer Verallgemeinerung naturwissenschaftlicher Daten über mechanische Bewegung, Elektrizität, Magnetismus, Chemie und sogar die menschliche Physiologie. Gleichzeitig wurden ähnliche Ideen in England (Grove) und Dänemark (Kolding) geäußert. Etwas später wurde dieses Gesetz von Helmholtz (Deutschland) entwickelt. Die Entdecker des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung gingen unterschiedliche Wege zu seiner Aufstellung.

Mit dieser Datei verknüpft 42986 Datei(en). Darunter: und weitere 42976 Dateien.
Alle verknüpften Dateien anzeigen
Warum funktionieren Diäten nicht???
Lassen Sie uns zunächst herausfinden, woher die Energie kommt (also die Kalorien, die wir essen) und wo sie verschwindet. Das Gesetz der Energieerhaltung lautet: „Energie kommt nirgendwo her und verschwindet nirgendwo, sondern geht nur von einer Form in eine andere über.“ Daraus folgt, dass wir Kalorien essen und AUCH Kalorien verbrauchen (egal: Äpfel, Ananas oder Fleisch, ein Sandwich usw.)

Kalorienbilanz, d.h. Die Menge der verbrauchten Energie muss im Gleichgewicht mit der verbrauchten Energie stehen. Alles, was nicht ausgegeben wird, wird mit Sicherheit im Fett abgelagert.! Wenn wir einen Abnehmeffekt erzielen wollen, dann brauchen wir eine negative Bilanz (aber nicht zu viel). Es scheint, dass alles einfach ist – Sie müssen nur die Kalorienzufuhr begrenzen und das war’s. Aber so einfach ist es nicht. Lassen Sie uns herausfinden, wofür täglich Energie aufgewendet wird:

1.Produktionsumsatz- Dies ist der Energiekoeffizient, den der Körper für zusätzliche Bedürfnisse verbraucht, der von der körperlichen Aktivität einer Person abhängt.

Wer viel körperliche Aktivität ausübt, hat einen hohen Produktionsumsatz. Und wer den ganzen Tag bei der Arbeit sitzt, ist dementsprechend klein. Dies ist jedoch nicht der Hauptfaktor für die Reduzierung des Körperfetts, sondern nur ein beitragender Faktor.

2. Grundstoffwechsel- Dies ist die Energiemenge, die der Körper benötigt, um den Körper im Ruhezustand auf einer durchschnittlichen Temperatur zu halten. Dies sind Atmung, Herzschlag, Verdauung, Aufrechterhaltung der Körpertemperatur sowie Muskeln. Der wichtigste Faktor ist die Muskulatur. Muskelgewebe fördert einen guten Stoffwechsel und verhindert die Fettablagerung. Unsere Muskeln verbrauchen im Ruhezustand etwa 40 % ihrer Gesamtenergie! Eine Person mit guten Muskeln verbraucht viel mehr Kalorien als jemand, der viel weniger hat. Ersterer verfügt über eine 24-Stunden-„Fettverbrennungsmaschine“ in seinem Körper, was bedeutet, dass er eine größere Chance hat, Fettablagerungen zu vermeiden als Letzterer. Deshalb Muskelaufbautraining ist sehr wichtig, da Muskeln eine große Rolle im Stoffwechselprozess spielen.

Was passiert mit dem Körper während einer Diät? Kaloriendefizit (zu negative Bilanz). Darauf reagiert der Körper negativ und versucht, seine „Reserven“ zu bewahren. Zu diesem Zweck beginnt er, den wichtigsten „Kalorienräuber“ loszuwerden – die Muskeln. Infolgedessen stellt sich heraus, dass der Grundstoffwechsel abnimmt und der Körper im Ruhezustand viel weniger Energie verbraucht als vor der Diät. Und ein langsamerer Stoffwechsel bedeutet, dass Sie Ihre Kalorienaufnahme noch weiter reduzieren müssen, um weiterhin Fett zu verbrennen. Es stellt sich heraus, dass es sich um einen Teufelskreis handelt... Bei einer Diät ist ein Mensch gezwungen, den Prozess der Fettbildung für den Rest seines Lebens zu kontrollieren! Außerdem Starke Muskelmasse wird durch schlaffe Fettmasse ersetzt Und da Fett weniger dicht ist als Muskeln, erscheint der Körper noch voluminöser. Nun, wer braucht so eine Diät?

Abschluss: Es liegt nicht in unserem Interesse, ein großes Kaloriendefizit zu erzeugen und den Körper in einen desaströsen Zustand zu bringen. Um einen guten Stoffwechsel aufrechtzuerhalten, ganz einfach Sie müssen Krafttraining machen und ausreichend Protein zu sich nehmen(bei einer Menge von 2 g pro Kilogramm Ihres Gewichts und Tag) um den Verlust von Muskelmasse zu verhindern, sowie verschiedene mit Atrophie verbundene Krankheiten vermeiden.

Iron SystemTM-Team
Gehen Sie zum Dateiverzeichnis

GESCHICHTE DER ENTDECKUNG DES GESETZES DER ERHALTUNG UND TRANSFORMATION DER ENERGIE

Im Zusammenhang mit der Entdeckung eines grundlegenden physikalischen Phänomens – der elektromagnetischen Induktion, auf deren Grundlage viele Zweige der modernen Elektrotechnik entwickelt wurden, ist es angebracht, hier die Geschichte einer anderen, noch bedeutenderen Entdeckung – des Gesetzes der Erhaltung und Transformation – zu betrachten von Energie.

Wissenschaftler und Praktiker aller Zeiten haben sich Studien verschiedener Energieprozesse zugewandt und Verallgemeinerungen versucht, die Elemente der Formulierung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung enthielten. Wenn wir uns der Geschichte der Entdeckung des Gesetzes zuwenden, taucht der Begriff „Energie“ erst in der letzten Phase der Geschichte des großen Gesetzes auf. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass die wichtigsten Errungenschaften der Physik, Chemie und Biologie, die eine echte Verallgemeinerung ermöglichten, erst seit Beginn des 19. Jahrhunderts bekannt wurden.

Schon antike Denker (Demokrit, Epikur) bekräftigten die Ewigkeit und Unzerstörbarkeit von Materie und Bewegung. Die alltägliche praktische Tätigkeit erforderte die Kenntnis der Bewegungsgesetze, vor allem des einzigen bekannten – der mechanischen. Und deshalb ist es kein Zufall, dass sich der Energieerhaltungssatz im Rahmen der Mechanik zu kristallisieren begann. Im Jahr 1633 formulierte der berühmte französische Wissenschaftler René Descartes (1596–1650) in seiner Abhandlung über das Licht die Idee der Bewegungserhaltung: „Wenn ein Körper mit einem anderen kollidiert, kann er ihm nur so viel Bewegung verleihen.“ denn es verliert gleichzeitig und nimmt ihm nur so viel ab, wie es seine eigene Bewegung steigert.“ Diese Idee wurde vom deutschen Wissenschaftler Gottfried Wilhelm Leibniz (1646–1716) in seinem Gesetz zur Erhaltung der Lebenskräfte weiterentwickelt.

Nach den klassischen Werken von Isaac Newton (1643–1727) und Gottfried Leibniz erhielt das Prinzip der Bewegungserhaltung in den Werken von M.V. eine klare Formulierung. Lomonosov, der beschloss, zwei Erhaltungsprinzipien zu kombinieren: Bewegung und Materie. Es war M.V. Lomonossow war für die Entdeckung des Gesetzes zur Erhaltung der Materie verantwortlich, das dann völlig unabhängig vom französischen Wissenschaftler Antoine Laurent Lavoisier (1743–1794) wiederholt wurde. Im Jahr 1744 M.V. Lomonosov schrieb die berühmt gewordenen Worte: „Alle Veränderungen in der Natur, die auftreten, sind in einem solchen Zustand, dass einem Körper so viel von etwas weggenommen wird, dass einem anderen so viel hinzugefügt wird wird an einem anderen Ort vervielfacht ... Dieses universelle Naturgesetz erstreckt sich auf die eigentlichen Regeln der Bewegung, denn ein Körper, der einen anderen mit seiner Kraft bewegt, verliert so viel davon von sich selbst, wie er einem anderen mitteilt, der von ihm Bewegung erhält.“

Also Mitte des 18. Jahrhunderts M.V. Lomonosov formulierte das Gesetz der Erhaltung von Masse und Bewegung klar als universelles Naturgesetz. Darüber hinaus ist der erste Teil seines Ausdrucks („alle Veränderungen in der Natur, die passieren ...“) so weit gefasst, dass, wenn diese Worte 100 Jahre später geschrieben würden, als andere „Veränderungen in der Natur“ bekannt wurden – zahlreiche gegenseitige Energieumwandlungen (elektrisch, thermisch, chemisch, mechanisch), dann wären andere Formulierungen des Gesetzes der Erhaltung und Umwandlung von Energie und der Erhaltung von Materie unnötig. Aber leider war die Ära noch nicht dieselbe und die wissenschaftlichen Arbeiten von M.V. Lomonossow blieb fast 150 Jahre lang unbekannt.

Um die qualitativen Umwandlungen von Energie von einer Form in eine andere nachvollziehen zu können, mussten die notwendigen und ausreichenden wissenschaftlichen und technischen Voraussetzungen gegeben sein. Die wichtigste dieser Voraussetzungen war die Entwicklung der Wärmelehre und der wärmetechnischen Praxis. Es ist bekannt, welche Rolle das Feuer in der Entwicklung des Menschen zu Beginn seiner Geschichte spielte. Im Laufe der Arbeit lernte der Mensch, durch Reibung Feuer zu machen. Bei der Entstehung von Feuer durch Reibung war bereits eine qualitative Umwandlung mechanischer Energie in thermische Energie erkennbar.

Die Herstellung von Zusammenhängen zwischen mechanischer und thermischer Energie wurde lange Zeit durch die Theorie der Wärmeenergie objektiv behindert. Es wurde angenommen, dass Kalorien aus einer Substanz herausgedrückt werden, wenn sie komprimiert wird, beispielsweise wenn ein Gas komprimiert wird, wie der Saft einer Orange. Brillante Gedanken von M.V. Lomonosov über die molekulare Bewegung als Wärmequelle, über die kinetische Natur der Wärme im weiteren Sinne, blieb außerhalb des Blickfelds der allgemeinen wissenschaftlichen Gemeinschaft. Den schwersten Schlag gegen die Kalorientheorie versetzten bereits im Zeitalter der Dampfmaschinen (1798) die Experimente des Amerikaners Benjamin Thompson (1753–1814), der in Europa besser unter dem Titel Graf Rumford bekannt ist. Beim Bohren von Kanonenrohren in München beobachtete Rumfoord die Freisetzung von Hitze, die allerdings jedem bekannt war. Allerdings konnte Rumford zeigen, dass in diesem Fall eine nahezu unbegrenzte Wärmemenge freigesetzt werden kann. In seinen Experimenten ergriff er Maßnahmen zur Isolierung von Bohrer und Lauf, um den Eintritt von Kalorien, dieser „Wärmesubstanz“, von irgendwoher auszuschließen.

Aber etwa 30 Jahre nach Rumfords Experimenten nahm die Kalorientheorie, korrigiert und verfeinert, weiterhin eine dominierende Stellung bei der Erklärung der Ursachen von Hitze ein. Wesentlich wichtig für das Verständnis der Tatsache der Umwandlung einer Bewegungsart (zum Beispiel mechanisch) in eine andere (zum Beispiel thermisch) war die Vorstellung eines Äquivalents, insbesondere des mechanischen Äquivalents von Wärme.

Das Dramatische an der Geschichte der Entdeckung des Energieerhaltungs- und Energieumwandlungsgesetzes bestand darin, dass fast bis zum Zeitpunkt der vollständigen Anerkennung dieses Gesetzes fast jede frühere Entdeckung, die seine Gültigkeit bestätigte, entweder nicht veröffentlicht oder nicht gebührend beachtet wurde oder es wurde einfach von der offiziellen Wissenschaft angefeindet.

Relevante Werke von M.V. Lomonosov gerieten bis 1904 in Vergessenheit, und da sie einst in Russland veröffentlicht wurden, gelangten sie nicht in westliche Laboratorien. Nachdem Rumfoord die Grundlagen der Kalorientheorie erschüttert hatte, konnte er sie nicht stürzen, ohne Beweise für die Gleichwertigkeit der Umwandlung mechanischer Bewegung in Wärme zu finden. Der 28-jährige talentierte französische Ingenieur Sadi Carnot (1796–1832) veröffentlichte 1824 ein bemerkenswertes Werk mit dem Titel „Reflections on the Motive Force of Fire and on Machines Capable of Developing This Force“, in dem er darlegte, was später kam wird als zweiter Hauptsatz der Thermodynamik oder „Carnotsches Prinzip“ bezeichnet. Spätere Studien, in denen S. Carnot die Kalorientheorie aufgab und erstmals das mechanische Wärmeäquivalent bestimmte, wurden jedoch nicht rechtzeitig veröffentlicht und seine Manuskripte wurden erst 1878 bekannt.

Im Anhang zu seinem einzigen Buch schrieb S. Carnot: „Wärme ist nichts anderes als eine treibende Kraft oder vielmehr eine Bewegung, die ihre Form verändert hat.“ Dies ist die Bewegung von Körperteilchen. Überall dort, wo die treibende Kraft zerstört wird, entsteht gleichzeitig Wärme in einer Menge, die genau proportional zur Menge der verschwundenen treibenden Kraft ist. Umgekehrt entsteht immer dann, wenn Wärme verschwindet, eine treibende Kraft.“ Nach den Messungen von S. Carnot betrug das mechanische Wärmeäquivalent 370 kg∙m (denken Sie daran, dass dieser Wert 427 kg∙m oder 4186 J beträgt).

Die theoretischen Studien von S. Carnot beantworteten eine spezifische Frage der Entwicklungsindustrie, wie man eine Wärmekraftmaschine wirtschaftlicher machen kann. S. Carnot ging davon aus, dass ein Perpetuum Mobile unmöglich sei. Doch selbst seine Zeitgenossen schenkten diesen Werken nicht die gebührende Aufmerksamkeit.

Erforschung der chemischen, thermischen und mechanischen Wirkungen des elektrischen Stroms, Entdeckung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion in den ersten 40 Jahren des 19. Jahrhunderts. diente als zweite wichtige Voraussetzung für die Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung.

Im Jahr 1836 formulierte M. Faraday zwei Gesetze der Elektrolyse, mit denen er Zusammenhänge zwischen der Strommenge und den chemischen Eigenschaften eines Stoffes herstellte.

Der große englische Physiker betonte eindeutig die Notwendigkeit, Äquivalente zwischen verschiedenen Energiearten oder, in der damaligen Terminologie, zwischen verschiedenen Kräften herzustellen. Er schrieb: „Wir haben viele Prozesse, bei denen die äußere Form der Kraft solche Veränderungen erfahren kann, dass es zu einer deutlichen Umwandlung derselben in eine andere kommt.“ So können wir chemische Kraft in elektrischen Strom und elektrischen Strom in chemische Kraft umwandeln. Die hervorragenden Experimente von T. Seebeck und J. Pelte zeigen den gegenseitigen Zusammenhang von Wärme und Elektrizität, und G. Oersted und meine eigenen zeigen die Umwandlungsfähigkeit von Elektrizität und Magnetismus. Aber selbst beim Zitteraal und Stechrochen kommt es in keinem Fall zu einer Kraftproduktion ohne entsprechenden Aufwand an etwas, das sie ernährt.“ In seinem Tagebuch aus dem Jahr 1837 schrieb M. Faraday: „Es ist notwendig, die Anzahl der materiellen Kräfte (d. h. die Kräfte der Elektrizität, der Schwerkraft, der chemischen Affinität, des Zusammenhalts usw.) zu vergleichen, wo es möglich ist, einen Ausdruck für sie anzugeben.“ Äquivalente in der einen oder anderen Form.“

Der Mythos von der besonderen „Lebenskraft“ im menschlichen und tierischen Körper wurde zerstreut. Es wurde ein direkter Zusammenhang zwischen der aufgenommenen Nahrungsmenge und der Arbeitsfähigkeit festgestellt.

Die 40er Jahre des 19. Jahrhunderts waren eine Zeit weitreichender Verallgemeinerungen. Die Geschichte weist den deutschen Wissenschaftlern Robert Mayer (1814–1878) und Hermann Helmholtz sowie dem englischen Physiker James Joule (1818–1889) eine entscheidende Rolle bei der Festlegung des Energieerhaltungssatzes und der Energieumwandlung zu.

R. Mayer war Schiffsarzt auf einem niederländischen Schiff, als ihm 1840 „plötzlich“ die Idee des Gesetzes der Erhaltung und Umwandlung von Energie kam. Das Wort „plötzlich“ wird aus einem bestimmten Grund in Anführungszeichen gesetzt: R. Mayer schrieb später über plötzliche Einsichten, aber kann eine Entdeckung plötzlich sein, deren Prämissen einem Absolventen der Universität Tübingen wohlbekannt waren? Der erste Impuls kam für R. Mayer plötzlich: Er machte auf etwas aufmerksam, das Ärzten, die ständig in tropischen Breiten arbeiten, wohlbekannt war. Während das Schiff in Java lag, erkrankte ein Seemann, und R. Mayer ließ ihn, wie es damals üblich war, „ausbluten“, indem er eine Vene öffnete. Stellen Sie sich seine Überraschung vor, als er sah, dass das venöse Blut nicht so dunkel war wie in gemäßigten Breiten. R. Mayer erkannte, dass bei einer hohen durchschnittlichen Lufttemperatur zur Aufrechterhaltung lebenswichtiger Funktionen und der notwendigen Körpertemperatur weniger Nährstoffe und eine geringere „Verbrennung“ des Körpers erforderlich sind. Ein Vergleich zahlreicher wissenschaftlicher Fakten aus dem Bereich der Chemie, Physik und Biologie führte ihn zu dem Schluss, dass die Gedanken, nach dem Ausdruck von R. Mayer, ihn wie ein Blitz durchbohrten, zu dem Schluss führten, dass es ein universelles Gesetz gibt Natur.

Im Jahr 1841 schrieb R. Mayer einen Artikel „Über die quantitative und qualitative Bestimmung von Kräften“, aber der Herausgeber einer bekannten physikalischen Zeitschrift in Europa hielt es nicht für notwendig, ihn zu veröffentlichen. Das Manuskript des Artikels wurde im Redaktionsarchiv entdeckt und erst 1881 veröffentlicht, d. h. 40 Jahre später. Der nächste Artikel „Anmerkungen zu den Kräften der unbelebten Natur“ wurde 1842 veröffentlicht. In dieser Arbeit schenkt R. Mayer den gegenseitigen Umwandlungen von mechanischer Arbeit und Wärme große Aufmerksamkeit, ohne die entsprechende Forschung von S. zu kennen. Carnot bestimmt das mechanische Wärmeäquivalent (nach ihm beträgt es 365 kg∙m/kcal), spricht von der „Unzerstörbarkeit“ der Kräfte und formuliert sein Prinzip. Hier fügt R. Mayer zum ersten Mal in der Geschichte der Wissenschaft die Bedeutung von „Energie“ in den Begriff „Kraft“ ein, ohne dieses Wort bisher auszusprechen (das Wort wurde jedoch früher ausgesprochen; mit diesem Wort der englische Physiker Thomas Young (1773–1829) bezeichnete eine Größe, die proportional zur Masse und zum Quadrat der Geschwindigkeit eines bewegten Körpers ist.

R. Mayers Ideen waren so allgemeiner und universeller Natur, dass sie von seinen Zeitgenossen zunächst nicht akzeptiert wurden. Sein Leben wurde zu einem ständigen Kampf um die Durchsetzung seines Prinzips.

Klassische Messungen des mechanischen Wärmeäquivalents wurden in den Jahren 1841–1843 durchgeführt. (veröffentlicht 1843) D. Joule. Seiner Meinung nach lag dieser Wert bei 460 kg∙m/kcal. D. Joule stellte unabhängig von E. Lenz auch den Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und erzeugter Wärme fest (Joule-Lenz-Gesetz). Es ist interessant festzustellen, dass die British Society (wie die British Academy of Sciences genannt wird) sich weigerte, die Arbeit von D. Joule vollständig zu veröffentlichen, und von ihm immer mehr experimentelle Klarstellungen verlangte.

Schließlich gab G. Helmholtz 1847 in seinem Werk „Über die Erhaltung der Kraft“ das Erhaltungsgesetz in seiner allgemeinsten Form wieder und zeigte, dass die Summe aus potentieller und kinetischer Energie konstant bleibt. G. Helmholtz leitete den Ausdruck für die elektromotorische Kraft der Induktion auf der Grundlage des Energieerhaltungssatzes ab. Dort wurde erstmals eine mathematische Interpretation des Gesetzes gegeben. Als Abschluss des langen Weges, den die Wissenschaft zur genauen Formulierung des Energieerhaltungssatzes zurückgelegt hat, kann der Bericht von W. Thomson „Über die dynamische Theorie der Wärme“ (1851) angesehen werden.

Im Jahr 1860 führte W. Thomson den Begriff „Energie“ im modernen Sinne in die Wissenschaft ein. Der berühmte schottische Physiker William John McQuarne Rankin (Rankine) (1820–1872), einer der Begründer der technischen Thermodynamik, gelangte 1853 zu derselben Interpretation des Begriffs „Energie“.

Es ist angebracht, die Darstellung der Geschichte der Entdeckung des Gesetzes mit den Worten des herausragenden englischen Physikers und Persönlichkeiten des öffentlichen Lebens John Dimond Bernal (1901–1971) zu beenden, der 100 Jahre später geschrieben wurde: „Das Gesetz der Energieerhaltung ...“ . war die größte physikalische Entdeckung der Mitte des 19. Jahrhunderts. Er vereinte viele Wissenschaften und stand im Einklang mit den Trends der Zeit. Energie ist zur universellen Währung der Physik geworden – sozusagen zum Goldstandard für die Veränderungen, die im Universum stattfinden ... Die gesamte menschliche Tätigkeit als Ganzes – Industrie, Verkehr, Beleuchtung und letztlich die Ernährung und das Leben selbst – wurde unter dem Gesichtspunkt der Abhängigkeit von diesem einen allgemeinen Begriff – Energie – betrachtet.

Zurück78910111213141516171819202122Nächster

MEHR SEHEN:

Gesetz zur Erhaltung der mechanischen Energie

Die mechanische Energie eines konservativen mechanischen Systems bleibt über die Zeit erhalten.

Einfach ausgedrückt: Ohne dissipative Kräfte (z. B. Reibungskräfte) entsteht mechanische Energie nicht aus dem Nichts und kann nirgendwo verschwinden.

Für ein geschlossenes System physischer Körper gilt die Gleichheit beispielsweise
Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2,
Wo Ek1, Ep1- kinetische und potentielle Energie des Systems jeglicher Wechselwirkung, Ek2, Ep2- entsprechende Energien danach.

Gesetz der Energieeinsparung- Das integrales Gesetz. Dies bedeutet, dass es aus der Wirkung von Differentialgesetzen besteht und eine Eigenschaft ihrer kombinierten Wirkung ist.

Formulierung des Gesetzes zur Erhaltung der mechanischen Energie.

Gesamte mechanische Energie, d.h. Die Summe aus potentieller und kinetischer Energie eines Körpers bleibt konstant, wenn nur die Kräfte der Elastizität und der Schwerkraft wirken und keine Reibungskräfte auftreten.

Weitere Hinweise zur Physik

Die Untersuchung des Prozesses der Umwandlung von Wärme in Arbeit und umgekehrt sowie die Festlegung des mechanischen Wärmeäquivalents spielten eine wichtige Rolle bei der Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung. Diese Entdeckung wurde jedoch durch die gesamte Entwicklung der Physik in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts vorbereitet. In der physikalischen Forschung nahmen Untersuchungen von Phänomenen, bei denen die Umwandlung verschiedener Bewegungsformen ineinander stattfand, immer mehr Platz ein. Studien über die chemischen, thermischen und Lichteffekte des elektrischen Stroms, die Untersuchung seiner gewichtigen Wirkung, die Untersuchung der Prozesse der Umwandlung von Wärme in Arbeit usw. – all dies trug zur Entstehung und Entwicklung der Idee von bei die gegenseitige Umsetzbarkeit der „Kräfte“ der Natur ineinander.

Diese Idee reifte und begann im Widerspruch zu Ansichten zu stehen, die auf dem Konzept der „Schwerelosigkeit“ beruhten. Diese Idee wird zunehmend von verschiedenen Wissenschaftlern geäußert, und es war ein Schritt nötig, damit diese Idee in ein physikalisches Gesetz übergeht. Dieser Schritt wurde von vielen Wissenschaftlern unternommen. Es ist interessant festzustellen, dass einige von ihnen zum Zeitpunkt der Entdeckung des Energieerhaltungssatzes und der Energieumwandlung keine Physiker waren. Die Hauptrolle bei der Festlegung des Energieerhaltungs- und Energieumwandlungsgesetzes spielten der deutsche Arzt Mayer, der deutsche Wissenschaftler Helmholtz (der damals Arzt und Physiologe war und erst dann Physiker wurde) und schließlich der Engländer Joule, der sich mit physikalischer Forschung beschäftigte.

Robert Mayer

Robert Mayer (1814–1878) studierte Medizin und Physiologie. Im Jahr 1840 entdeckte er, dass das aus einer Vene von Menschen in den Tropen entnommene Blut eine hellere Farbe hatte als das von Menschen in Europa. Mayer untersuchte dieses Phänomen und kam zu dem Schluss, dass der Grund dafür der Temperaturunterschied zwischen dem menschlichen Körper und der Umgebung sei. Als er über diese Frage nachdachte, kam er schließlich zu der allgemeinen Idee der Unzerstörbarkeit der „Naturkräfte“ und ihrer Fähigkeit, sich ineinander umzuwandeln. Mayer legte seine Ansichten und Schlussfolgerungen erstmals in seinem Werk „Zur quantitativen und qualitativen Bestimmung der Kräfte“ dar. Unter dem Wort „Kraft“ versteht Mayer hier das, was später Energie genannt wurde. Diesen Begriff behält er auch in seinen späteren Werken bei. Kräfte sind nach Mayer Ursachen, die das gegenseitige Verhältnis der Substanzen von Körpern verändern. Aus den Gesetzen der Logik und dem Kausalitätsprinzip folgt laut Mayer, dass Kräfte unzerstörbare Objekte sind, die sich jedoch in ihren Eigenschaften ändern. Die Wissenschaft, „die die Art der Existenz von Kräften untersucht (Physik), muss die Quantität ihrer Objekte als unverändert betrachten und nur ihre Qualität als sich verändernd“ 1, glaubt Mayer. Er schreibt weiter:

„...Bewegung, Wärme und, wie wir später zeigen wollen, Elektrizität sind Phänomene, die aneinander gemessen werden und sich nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten ineinander umwandeln.“ 2

Nachdem er diese allgemeinen Prinzipien zum Ausdruck gebracht hatte, machte Mayer jedoch bei genauer Betrachtung eine Reihe falscher und verwirrender Annahmen. So nahm er beispielsweise nicht die kinetische Energie, sondern die Bewegungsmenge als Maß für die mechanische Bewegung. Mayer beabsichtigte, diese Arbeit in der Physikzeitschrift Annalen der Physik zu veröffentlichen. Der Herausgeber des Magazins, Poggendorff, weigerte sich jedoch, es zu veröffentlichen. Der Artikel war allgemeiner halbphilosophischer Natur und enthielt keine spezifischen experimentellen oder theoretischen Ergebnisse.

Im selben Jahr 1841 schrieb Mayer ein neues Werk zum gleichen Thema und schickte es unter Berücksichtigung seiner erfolglosen Erfahrung an die chemisch-pharmazeutische Zeitschrift „Annalen der Chemie und Pharmacie“, wo es 1842 unter dem Titel „Notizen“ veröffentlicht wurde über Kräfte der unbelebten Natur. In diesem Artikel, der ebenfalls überwiegend allgemeiner Natur ist, hat Mayer seine Ideen ausführlicher entwickelt und die fehlerhaften Bestimmungen des ersten Artikels nicht übernommen. Ein neuer wichtiger Punkt war, dass Mayer, als er über die Umwandlung mechanischer Energie in Wärme sprach, erstmals die Existenz eines mechanischen Wärmeäquivalents feststellte. Er schrieb:

„...Es ist notwendig, die Frage zu beantworten, wie groß die Wärmemenge ist, die einer bestimmten Fall- oder Bewegungskraft entspricht. Wir mussten zum Beispiel bestimmen, wie hoch eine bestimmte Last über die Erdoberfläche gehoben werden muss, damit ihre Fallkraft der Erwärmung eines gleichen Wassergewichts von 0 auf 1 ° entspricht. 3 .

Mayer berichtet weiter, dass er die entsprechende Berechnung mit den bereits bekannten Werten der Wärmekapazität von Luft bei konstantem Druck c p und der Wärmekapazität bei konstantem Volumen c v durchgeführt und das mechanische Äquivalent der Wärme gefunden habe, das seinen Berechnungen zufolge Es stellte sich heraus, dass es 365 kgm/kcal entsprach.

Im Jahr 1845 veröffentlichte Mayer das Buch „Organische Bewegung in ihrer Verbindung mit dem Stoffwechsel“, in dem er die Lehre von der Erhaltung und Umwandlung von Energie („Kraft“ in seiner Terminologie) ausführlicher darlegte. Im Einzelnen lauten Mayers Hauptpunkte wie folgt. Er glaubte, dass es in der Natur zwei Arten von Ursachen gibt: Die eine ist durch die Eigenschaft der Schwere und Undurchdringlichkeit gekennzeichnet – das ist Materie, die andere Gruppe von Ursachen sind Kräfte. Materie und Kräfte sind unzerstörbar. Dies folgt aus dem Grundsatz, dass eine Ursache immer einer Wirkung gleichkommt, die wiederum die Ursache für die nachfolgende Handlung ist. Dabei können Gründe unterschiedliche Formen annehmen. „Ursachen sind (quantitativ) unzerstörbare und (qualitativ) transformationsfähige Objekte.“ In dieser Hinsicht sind Kräfte unzerstörbare Objekte, die zur Transformation fähig sind. In der Natur gibt es mehrere qualitativ unterschiedliche „Kräfte“. Erstens Bewegung: „Bewegung ist Macht.“ Diese Stärke wird an der Menge der Arbeitskräfte gemessen. Wenn elastische Körper kollidieren, bleibt die Gesamtmenge der „lebendigen Kräfte“ konstant. Eine andere Kraft ist die „fallende Kraft“. Mit dieser Kraft meint Mayer die potentielle Energie eines angehobenen Körpers. Sie wird anhand des Produkts aus Gewicht und Größe gemessen. Beim Fallen wandeln sich die „Fallkraft“ und die „Bewegungskraft“ gegenseitig ineinander um. Ihr Gesamtbetrag bleibt konstant. Wärme ist auch „Kraft“. Es kann in eine mechanische Bewegung umgewandelt werden und umgekehrt. Die Umwandlung mechanischer Wirkung (nach Mayer die allgemeine Bezeichnung für kinetische und potentielle Energie) in Wärme und umgekehrt erfolgt immer in genau äquivalenten Mengen. In seinem Werk „Organic Movement and Metabolism“ gibt Mayer einen genaueren Wert für das mechanische Wärmeäquivalent an (als im Artikel von 1842), der wiederum auf der Differenz zwischen der Wärmekapazität von Luft bei konstantem Volumen und konstantem Druck beruht. Seinen Berechnungen zufolge liegt das mechanische Äquivalent bei 425 kgm/kcal.

Elektrizität ist auch eine Form der Manifestation physischer Kraft. Bei Reibung kann mechanische Energie in Elektrizität umgewandelt werden. Als Beispiel eines Elektrophors weist Mayer zu Recht darauf hin, dass beim Entfernen der oberen Platte zusätzlich zur Arbeit gegen die Schwerkraft auch mechanische Arbeit gegen die elektrische Kraft aufgewendet werden muss.

Zusätzlich zu den aufgeführten Kräften gibt es auch die „chemische Kraft“. Diese Kraft besitzen laut Mayer chemische Stoffe, die sich unter Trennung verbinden können: Die chemisch getrennte Existenz bzw. der chemische Unterschied von Stoffen ist „Kraft“. Mayer betrachtet Beispiele für die gegenseitige Umwandlung von „Kräften“: mechanische Bewegung in Wärme und Elektrizität, Elektrizität in Wärme und „mechanischer Effekt“, Wärme in Elektrizität usw. Mayer verstand, dass seine Theorie nicht nur neu war, sondern auch bestehenden Ansichten widersprach. Deshalb spricht er sich ausdrücklich gegen die Vorstellung von Unwägbarkeiten aus. Er schreibt:

„Lassen Sie uns die große Wahrheit zum Ausdruck bringen: Es gibt keine immateriellen Dinge. Wir sind uns bewusst, dass wir gegen tief verwurzelte Hypothesen kämpfen, die von den größten Autoritäten kanonisiert wurden, dass wir zusammen mit unwägbaren Flüssigkeiten alles, was von den Göttern Griechenlands übrig geblieben ist, aus der Lehre der Natur verbannen wollen; Wir wissen jedoch auch, dass die Natur in ihrer einfachen Wahrheit größer und schöner ist als jede Schöpfung menschlicher Hände, als alle Illusionen des geschaffenen Geistes.“ 4 .

Mayers erste Arbeiten erregten nicht die Aufmerksamkeit der Physiker. Sie wurden nicht in physikalischen Fachzeitschriften veröffentlicht und waren größtenteils allgemeiner Natur, ganz zu schweigen von der Tatsache, dass sie im Widerspruch zur vorherrschenden Kalorientheorie und allgemein zu Vorstellungen über Unwägbarkeiten standen.

Im Jahr 1843 gelangte der Engländer James Prescott Joule (1818-1889) unabhängig von Mayer zur Entdeckung der Äquivalenz von Wärme und Arbeit und dann zum Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung. Seit 1841 untersucht Joule die Freisetzung von Wärme durch elektrischen Strom. Insbesondere entdeckte er zu dieser Zeit ein Gesetz, das ebenfalls von Lenz unabhängig aufgestellt wurde (Joule-Lenz-Gesetz). Indem er dann die Gesamtwärmemenge untersuchte, die im gesamten Stromkreis, einschließlich der galvanischen Zelle, über einen bestimmten Zeitraum abgegeben wurde, stellte er fest, dass diese Wärmemenge gleich der Wärme der chemischen Reaktionen ist, die im selben Zeitraum im Element ablaufen. Er, Joule, ist der Meinung, dass die in einem Stromkreis freigesetzte Wärmequelle die in einer galvanischen Zelle ablaufenden chemischen Prozesse sind und der elektrische Strom diese Wärme sozusagen durch den gesamten Stromkreis transportiert. Er schrieb, dass „Elektrizität als ein wichtiges Mittel angesehen werden kann, das chemische Wärme überträgt, organisiert und verändert“ 5 . Aber auch eine „elektromagnetische Maschine“ kann als elektrische Stromquelle dienen. Wie ist in diesem Fall die durch elektrischen Strom erzeugte Wärme zu berücksichtigen? Joule stellt auch die Frage: Was passiert, wenn eine magnetoelektrische Maschine (d. h. ein Elektromotor) an einen Stromkreis mit einem galvanischen Element angeschlossen wird? Wie wirkt sich dies auf die vom Strom im Stromkreis erzeugte Wärmemenge aus?

James Prescott Joule

Als Joule seine Forschungen in dieser Richtung fortsetzte, kam er zu neuen wichtigen Ergebnissen, die er in dem 1843 veröffentlichten Werk „The Thermal Effect of Magnetoelectricity and the Mechanical Value of Heat“ darlegte. Zunächst untersuchte Joule die Frage nach der Menge an Wärme, die durch einen Induktionsstrom erzeugt wird. Dazu platzierte er eine Drahtspule mit einem Eisenkern in einem mit Wasser gefüllten Rohr und drehte sie in dem von den Polen des Magneten gebildeten Magnetfeld (Abb. 63). Joule maß die Größe des Induktionsstroms mit einem Galvanometer, das über einen Quecksilberkommutator an die Enden einer Drahtspule angeschlossen war, und bestimmte gleichzeitig die durch den Strom in der Röhre erzeugte Wärmemenge. Er kam zu dem Schluss, dass der Induktionsstrom, wie der Galvanischer Strom setzt Wärme frei, deren Menge proportional zum Quadrat von Strom und Widerstand ist.

Reis. 63. Installation von Joule (der Magnet ist in der Zeichnung nicht angegeben)

Reis. 64. Joule-Installation zur Bestimmung des mechanischen Wärmeäquivalents

Anschließend schloss Joule eine in einem Wasserrohr platzierte Drahtspule an einen galvanischen Stromkreis an. Indem er sie in entgegengesetzte Richtungen drehte, maß er den Strom im Stromkreis und die während einer bestimmten Zeitspanne erzeugte Wärme, sodass die Spule einmal die Rolle eines Elektromotors und ein anderes Mal die eines Stromgenerators spielte. Anschließend verglich Joule die freigesetzte Wärmemenge mit der Wärme der in der galvanischen Zelle ablaufenden chemischen Reaktionen und kam zu dem Schluss, dass „die durch chemische Einwirkung verursachte Wärme einer Zunahme oder Abnahme unterliegt“ und dass „wir dies in der Magnetoelektrizität tun.“ ein Mittel, das mit gewöhnlichen mechanischen Mitteln zerstören oder Wärme erzeugen kann“ 6 .

Schließlich zwang Joule dieses Rohr bereits unter dem Einfluss fallender Gewichte, sich in einem Magnetfeld zu drehen. Er maß die im Wasser freigesetzte Wärmemenge und die beim Absenken der Gewichte geleistete Arbeit und berechnete das mechanische Wärmeäquivalent gleich 460 kgm/kcal sein.

Im selben Jahr berichtete Joule über ein Experiment, bei dem mechanische Arbeit direkt in Wärme umgewandelt wurde. Er maß die freigesetzte Wärme, wenn Wasser durch enge Rohre* gedrückt wird, und stellte fest, dass das mechanische Wärmeäquivalent 423 kgm/kcal beträgt.

Anschließend kehrte Joule wieder zur experimentellen Bestimmung des mechanischen Wärmeäquivalents zurück. Im Jahr 1849 führte er ein bekanntes Experiment zur Messung des mechanischen Wärmeäquivalents durch. Mit fallenden Gewichten zwang er eine Achse mit Flügeln in einem mit Flüssigkeit gefüllten Kalorimeter zum Rotieren (Abb. 64). Durch Messung der von den Lasten geleisteten Arbeit und der im Kalorimeter freigesetzten Wärme erhielt Joule ein mechanisches Wärmeäquivalent von 424 kgm/kcal.

Die Entdeckung des mechanischen Äquivalents der Wärme führte Joule zur Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung. In einem Vortrag, den er 1847 in Manchester hielt, sagte er:

„Sie sehen also, dass Lebenskraft in Wärme umgewandelt werden kann und dass Wärme in Lebenskraft oder in Fernanziehung umgewandelt werden kann. Alle drei also – nämlich Wärme, Lebenskraft und Anziehung in der Ferne (wozu ich auch Licht zählen kann...) – sind wechselseitig ineinander umwandelbar. Darüber hinaus geht bei diesen Transformationen nichts verloren.“ 7 .

Hermann Helmholtz (1821-1894) war ausgebildeter Arzt und Physiologe und beschäftigte sich unmittelbar nach seinem Abschluss am Medizinisch-Chirurgischen Institut mit Forschungen auf dem Gebiet der Physiologie, insbesondere im Zusammenhang mit der Frage der Umwandlung verschiedener Energieformen im Leben Organismus. Diese Studien führten zu der Frage: „Welche Beziehungen müssen zwischen den verschiedenen Naturkräften bestehen, wenn wir akzeptieren, dass ein Perpetuum Mobile grundsätzlich unmöglich ist?“ 8 . Bei der Bearbeitung dieses Problems gelangte Helmholtz auch zur Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung. Er schrieb einen Artikel, den Poggendorff ebenfalls nicht in seinem Tagebuch veröffentlichen wollte; es wurde 1847 als separates Buch veröffentlicht.

Helmholtz geht vom bekannten Gesetz der Erhaltung der „lebendigen Kräfte“ aus, das natürlich auch für Zentralkräfte gilt. Er schreibt:

„Wenn natürliche Körper unabhängig von Zeit und Geschwindigkeit mit anziehenden und abstoßenden Kräften aufeinander einwirken, dann bleibt die Summe ihrer Lebens- und Spannungskräfte konstant, so dass das Maximum der geleisteten Arbeit daher ein bestimmtes und endliches sein wird.“ Wert“ 9. (Hier meinte Helmholtz mit „Spannkraft“ potentielle Energie.)

Allerdings gilt das Gesetz der Erhaltung lebender Kräfte nur in der Mechanik und selbst dann nur für den Fall konservativer Kräfte (Helmholtz beschränkte seine Wirkung zunächst auf Zentralkräfte).

Hermann Helmholtz

Um nun zum allgemeinen Gesetz der Erhaltung der „Kräfte“ (wie Helmholtz wie Mayer Energie nennt) überzugehen, glaubt er, dass alle Naturphänomene letztlich auf die Bewegung und Anordnung materieller Körper zurückzuführen sind, zwischen denen zentrale Kräfte wirken.

Bisher ist an dieser Argumentation von Helmholtz nichts grundsätzlich Neues. Viele Menschen dachten so vor und während seiner Zeit. Und wenn er sich auf diese Überlegungen beschränkt hätte, wäre sein Verdienst bei der Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung auf Null geschrumpft. Die Hauptsache ist, dass er untersuchte, wie sich seiner Meinung nach das Gesetz der Erhaltung der „lebendigen Kräfte“ in allen physikalischen Phänomenen manifestiert: Mechanik, Thermophysik, Elektrodynamik usw. Er untersuchte tatsächlich die Frage der Umwandlung verschiedener Energiearten in physikalischen Prozessen, obwohl er diese Formen als Ausdruck von „lebendiger Kraft“ oder „Spannungskraft“ ansah.

Helmholtz untersuchte zunächst die Prozesse der Energieumwandlung im Rahmen der Mechanik, also die Prozesse der Umwandlung von kinetischer Energie in potentielle Energie und umgekehrt. Anschließend untersucht er die Prozesse, durch die mechanische Bewegung in Wärme umgewandelt wird, und zitiert dabei Joules Entdeckung des mechanischen Äquivalents von Wärme. Danach geht Helmholtz zu elektrischen Phänomenen über. Er stellte fest, dass die Energie eines geladenen Kondensators gleich 1/2 q 2 /c ist, wobei q die Ladung und c die Kapazität des Kondensators ist. Bei der Entladung wird diese Energie in Wärme umgewandelt, die im Leiter, der die Kondensatorplatten verschließt, freigesetzt wird.

Helmholtz untersucht auch Energieprozesse im galvanischen Stromkreis; berücksichtigt die Arbeit des elektrischen Stroms und der im Stromkreis erzeugten Wärme (unter Verwendung des Joule-Lenz-Gesetzes) sowie den Fall, dass ein Thermoelement im Stromkreis enthalten ist.

In Anbetracht elektromagnetischer Phänomene erhielt Helmholtz unter Verwendung des Energieerhaltungssatzes den Ausdruck des Gesetzes der elektromagnetischen Induktion. Er betrachtete einen geschlossenen Stromkreis und einen Magneten, der sich unter dem Einfluss dieses Stroms bewegte. Über einen kurzen Zeitraum dt treten folgende Veränderungen im System auf. Erstens erzeugt eine Batterie, die den Strom I im Stromkreis unterstützt, Arbeit gleich εldt, wobei ε die elektromotorische Kraft der Batterie ist. Zweitens wird während dieser Zeit eine Wärmemenge im Kreislauf freigesetzt Ich 2 Rdt, wobei R der Stromkreiswiderstand ist. Und schließlich ändert sich die relative Position des Magneten und des Stromkreises, was, wie Helmholtz glaubte, zu einer Änderung der „lebendigen Kraft“ des Magneten führt. Die Veränderung dieser „lebendigen Kraft“ sollte gleich sein IdV, wobei V eine von Neumann eingeführte Potentialfunktion ist. Nach dem Gesetz der Erhaltung der „Kraft“ muss die Gleichheit erfüllt sein

Daraus folgt, dass im Stromkreis eine elektromotorische Induktionskraft von -dV/dt angeregt wird. Wenn wir berücksichtigen, dass der Wert von V gleich dem Fluss der magnetischen Induktion durch den Stromkreis ist, dann haben wir, wie wir sehen, das Gesetz der elektromagnetischen Induktion 10 erhalten.

Am Ende der Arbeit geht Helmholtz auf die Frage der Anwendbarkeit des Prinzips der Erhaltung der „Kraft“ auf organische Prozesse ein und löst diese positiv. Abschließend schreibt er:

„Ich denke, dass die vorgelegten Daten beweisen, dass das dargelegte Gesetz keinem der in der Naturwissenschaft bekannten Tatsachen widerspricht und durch eine große Anzahl von ihnen erstaunlicherweise bestätigt wird … eine vollständige Bestätigung (des Gesetzes – B.S.) … sein sollte.“ gilt als eine der Hauptaufgaben der nahen Zukunft der Physik“ 11

Die Arbeit von Helmholtz wurde mehr als kühl aufgenommen. Helmholtz selbst schrieb in seinen Memoiren:

„Ich war ... gewissermaßen überrascht über den Widerstand, auf den ich bei Fachleuten stieß; Eine Stelle an den Poggendorfer Annalen wurde mir verweigert und unter den Mitgliedern der Berliner Akademie war nur der Mathematiker K. G. I. Jacobi, der sich auf meine Seite stellte.“ 12

Doch obwohl die Arbeit von Mayer, Helmholtz und Joule anfangs auf kühle Resonanz stieß, verbreitete sich ihre Grundidee immer mehr und fand in der Praxis der physikalischen Forschung Anwendung. Die Idee, dass ein neues, sehr wichtiges physikalisches Gesetz und noch mehr ein allgemeines Gesetz der Naturwissenschaft entdeckt wurde, erobert allmählich die Köpfe der Wissenschaftler. Die Arbeiten der englischen Wissenschaftler W. Thomson, W. J. Rankin und des deutschen Physikers R. Clausius spielten eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Grundprinzipien von Mayer, Joule und Helmholtz.

Zunächst spielte die Entdeckung des Energieerhaltungssatzes und der Energieumwandlung eine entscheidende Rolle bei der späteren Untersuchung der Prozesse der Umwandlung von Wärme in Arbeit, die zur Schaffung der Grundlagen der Thermodynamik führten. Das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung wird auch in anderen Bereichen der Physik angewendet, beispielsweise in der Forschung zur Elektrodynamik.

Bereits 1848 wandte V. Thomson unter Berufung auf die Arbeit von Joule das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung auf das Phänomen der elektromagnetischen Induktion an. Er zeigte (unabhängig von Helmholtz), dass „die Gesamtarbeit, die zur Erzeugung der Bewegung aufgewendet wird, die elektromagnetische Induktion erzeugt, dem mechanischen Effekt entsprechen muss, der durch den Strom verloren geht“ 13 .

Später untersuchte Thomson unter Verwendung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung erneut das Phänomen der elektromagnetischen Induktion und dann das Phänomen der Selbstinduktion und stellte fest, dass die Energie eines Leiters mit Strom durch die Formel Li 2 12 2 ausgedrückt werden kann , wobei L eine Größe ist, die nur von der Geometrie des Leiters abhängt (später Selbstinduktionskoeffizient genannt). Als Thomson 1853 die Frage nach der Energie von Magneten und Strömen untersuchte, drückte er diese Energie in Form eines Integrals über das Volumen aus.

Im Jahr 1852 wandte Clausius das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung auf elektrische Phänomene an. In seinem Werk „Über das mechanische Äquivalent einer elektrischen Entladung und die daraus resultierende Erwärmung von Leitern“ schrieb Clausius:

„...so wie mechanische Arbeit durch Wärme verrichtet werden kann, kann elektrischer Strom teilweise mechanische Wirkung und teilweise Wärme erzeugen.“ 14 .

Im selben Jahr wandte Clausius den Energieerhaltungssatz auf Energieprozesse im Gleichstromkreis und im darauffolgenden Jahr auf thermoelektrische Phänomene an.

Neben Thomson und Clausius arbeitete Rankine an der Entwicklung und Anwendung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung. Er war der erste, der den Begriff „Energie“ weit verbreitet verwendete und versuchte, den Energiebegriff allgemein zu definieren. Unter Energie versteht Rankine die Fähigkeit, Arbeit zu leisten. Zur Definition des Energiebegriffs schrieb er 1855: „Der Begriff „Energie“ impliziert jeden Zustand einer Substanz, der in der Fähigkeit besteht, Arbeit zu leisten.“ „Die Energiemenge wird an der Menge an Arbeit gemessen“15, die sie leisten kann. Noch früher, im Jahr 1853, teilte Rankine die Energie in „tatsächlich“ und „potenziell“ ein. Er schrieb:

„Tatsächliche oder spürbare Energie ist ein messbarer, übertragbarer und umwandelbarer Zustand, der dazu führt, dass eine Substanz ihren Zustand ändert ... Wenn eine solche Änderung auftritt, verschwindet die tatsächliche Energie und wird durch potenzielle oder latente Energie ersetzt, die gemessen wird.“ Größe der Zustandsänderung, der Widerstand, gegen den diese Änderung zustande kommt“ 16 .

Mit „tatsächlicher“ Energie umfasst Rankine „lebende Kraft“, Wärme, Strahlungswärme, Licht, chemische Wirkung und elektrischen Strom, die seine verschiedenen Formen sind; zu potentieller Energie – „mechanische Schwerkraft“, Elastizität, chemische Affinität, Energie statischer Elektrizität und Magnetismus.

Thomson, der zuerst den von Rankine eingeführten Begriff „tatsächliche Energie“ verwendete, ersetzte ihn später durch „kinetische Energie“.

Bereits in den 50er Jahren wurde das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung als allgemeines Naturgesetz anerkannt, das alle physikalischen Phänomene umfasst. Jetzt beginnt die Debatte über die Priorität seiner Eröffnung. Alles begann mit einer kleinen Kontroverse zwischen Mayer und Joule auf den Seiten der französischen Zeitschrift „Comptes rendus“ in den Jahren 1847-1849. über die Priorität bei der Entdeckung des mechanischen Äquivalents der Wärme. Im Jahr 1849 äußerte sich eine ziemlich verbreitete Zeitung in Deutschland ausdrücklich gegen Mayer, charakterisierte ihn als Amateur und warnte die Öffentlichkeit vor der „imaginären Entdeckung des Herrn Dr. Mayer“ und wies darauf hin, dass die angebliche Widersprüchlichkeit seiner Argumentation bereits festgestellt worden sei von maßgeblichen wissenschaftlichen Kreisen bewiesen. Im Jahr 1851 schrieb Mayer in seinem Artikel „Über das mechanische Äquivalent der Wärme“, in dem er die Geschichte der Entdeckung darlegte:

„Die neue Theorie erregte bald die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler. Da es aber sowohl hier im Inland als auch im Ausland als ausschließlich ausländische Entdeckung galt, veranlasste mich das, meine Rechte in den Vordergrund zu stellen.“ 17 .

Im Jahr 1851 erwähnte Helmholtz erstmals die Arbeit von Mayer und im Jahr 1852 bestätigte er dessen Vorrang bei der Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung.

„Die Aussage über die Unzerstörbarkeit der Arbeit mechanischer Kräfte und die Äquivalenz verschiedener Naturkräfte mit einem bestimmten Maß an mechanischer Arbeit“, schrieb Helmholtz, „wurde erstmals von Mayer geäußert“ 18.

„Er wählte Mayers Werke als Thema für seinen Bericht und präsentierte in seiner gewohnt faszinierenden Form alle wesentlichen Schlussfolgerungen aus Mayers Werken. Als die an dieser Frage stark interessierte Öffentlichkeit natürlich wissen wollte, wem diese Forschung gehörte, nannte Tyndall den Mann, der in einer deutschen Kleinstadt ohne jegliche wissenschaftliche Unterstützung oder Ermutigung mit erstaunlicher Energie und Ausdauer an der Entwicklung seines brillanten Werkes arbeitete Gedanken" 20 .

Der englische Physiker Tait wandte sich in der Zeitschrift „Good Words“ scharf gegen die Anerkennung von Mayers Priorität. Er protestierte gegen Tyndall und weigerte sich, Mayers Verdienste anzuerkennen. Es kam zu einer Kontroverse zwischen Tait und Tyndall. Helmholtz und Clausius reagierten darauf. Während Helmholtz Mayer sehr vorsichtig verteidigte, wandte sich Clausius scharf gegen Tait in Bezug auf einen seiner Artikel. Er schrieb, dass dieser Artikel nur schaden könne

„Sie besitzen einen so hohen wissenschaftlichen Ruf. Jeder Leser wird auf den ersten Blick erkennen, dass es sich hierbei nicht um eine unvoreingenommene, historische Darstellung des Themas handelt, wie man es von einem Wissenschaftler Ihres Ranges erwarten sollte, sondern um einen von Parteilichkeit durchdrungenen Artikel, der nur zur Glorifizierung einiger weniger Personen geschrieben wurde.“ 21 .

Anschließend lehnte Tet weiterhin Mayers Priorität ab. 1876 schrieb er:

„...die Zeit ist gekommen, Mayer... an die richtige Stelle zu weisen... Der Energieerhaltungssatz in seiner allgemeinen Form wurde unbestreitbar von Kolding in Kopenhagen und Joule in Manchester aufgestellt und experimentell bewiesen.“ 22 .

Obwohl sich Clausius und in gewissem Maße auch Helmholtz auf die Seite von Mayer stellten, war Mayer in Deutschland weiterhin Angriffen ausgesetzt, die manchmal die Form von Klatsch und Tratsch annahmen. Im Jahr 1858 verbreiteten sich Gerüchte über seinen angeblichen Tod. Poggendorff schrieb in seinem großen biographischen Wörterbuch (1863) am Ende eines mehr als bescheidenen Artikels über Mayer: „... es scheint, dass er um 1858 in einer Nervenheilanstalt gestorben ist.“ Allerdings platzierte er am Ende des Buches ein zusätzliches „Zertifikat“ über Mayer: „Nicht tot..., aber noch am Leben“23.

Schließlich wurde Mayers Priorität von E. Dühring verteidigt,24 der gleichzeitig die Rolle von Joule und Helmholtz bei der Entdeckung des Gesetzes der Erhaltung und Umwandlung von Energie herabwürdigte, was ebenfalls nicht dazu beitrug, Mayers Priorität zu stärken.

Der Kampf um Mayers Priorität war mit dem Kampf um das Verständnis des Wesens des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung verbunden. Mayer näherte sich dem Verständnis dieses Gesetzes aus einer breiteren philosophischen Position als viele seiner Zeitgenossen und insbesondere Wissenschaftler wie Tait, die an einer eng empirischen Sichtweise des Wissens festhielten. Mayer war zweifellos ein Revolutionär in der Wissenschaft; in einer Reihe von Fragen vertrat er eine spontane dialektische Position, die für viele seiner Zeitgenossen, die sich nicht von der metaphysischen Weltanschauung entfernen konnten, unverständlich war.

Engels war der erste, der Mayers Verdienste richtig würdigte. Als Hommage an Helmholtz wies Engels dennoch darauf hin:

„...Bereits 1842 behauptete Mayer die „Unzerstörbarkeit der Kraft“, und 1845 konnte er, ausgehend von seinem neuen Standpunkt, weitaus brillantere Dinge über die „Zusammenhänge zwischen verschiedenen Naturvorgängen“ mitteilen als Helmholtz im Jahr 1847. 25 .

An anderer Stelle bemerkte Engels:

„...die quantitative Konstanz der Bewegung wurde bereits von Descartes und in fast den gleichen Ausdrücken wie jetzt ausgedrückt (Clausius, Robert Mayer?). Aber die Umwandlung der Bewegungsform wurde erst 1842 entdeckt, und dies und nicht das Gesetz der quantitativen Konstanz ist neu.“ 26 .

Es war Mayer, der als Erster die Existenz qualitativer Umwandlungen verschiedener Energieformen ineinander betonte und nicht nur deren quantitative Konstanz behauptete. Dies war aus der Sicht der allgemeinen Weltanschauung das Wichtigste im etablierten Gesetz der Erhaltung und Umwandlung von Energie, und genau dieser Umstand entzog sich der Aufmerksamkeit vieler Wissenschaftler dieser Zeit, die versuchten, das einfach zu bringen neues Gesetz im Rahmen der allgemeinen mechanischen Weltanschauung und interpretierte es wie Helmholtz als Ausdruck des Gesetzes der Erhaltung der Lebenskräfte.

Die Aufstellung des Energieerhaltungs- und Energieumwandlungsgesetzes war ein revolutionärer Schritt in der Entwicklung der Naturwissenschaften und der Wissenschaft im Allgemeinen. Dieses Gesetz verband alle physikalischen Phänomene miteinander und beseitigte die metaphysischen Barrieren zwischen einzelnen Bereichen der Physik, gesichert durch die Lehre vom „Schwerelosen“, die nun ihr Ende gefunden hat. „Schwerelose“ Materie wurde endgültig aus der Physik verbannt. Engels schrieb:

„...physikalische Kräfte – diese sozusagen unveränderlichen „Typen“ der Physik – haben sich in vielfältig differenzierte und nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten ineinander übergehende Formen der Materiebewegung verwandelt. Die Zufälligkeit des Vorhandenseins dieser oder jener Anzahl physikalischer Kräfte wurde aus der Wissenschaft ausgeschlossen, weil ihre gegenseitige Verbindung und ihre Übergänge ineinander nachgewiesen waren.“ 27 .

Engels legte großen Wert auf die Aufstellung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung für ein korrektes dialektisch-materialistisches Weltbild und stellte es auf eine Stufe mit der Entdeckung der Zelle und Darwins Theorie:

„Dank dieser drei großen Entdeckungen und anderen enormen Erfolgen der Naturwissenschaft“, schrieb er. - Wir können nun im Allgemeinen nicht nur den Zusammenhang entdecken, der zwischen den Prozessen der Natur in ihren einzelnen Bereichen besteht, sondern auch den, der zwischen diesen einzelnen Bereichen besteht. So ist es mit Hilfe der Tatsachen, die die empirische Naturwissenschaft selbst liefert, möglich, in einigermaßen systematischer Form ein Gesamtbild der Triebe als zusammenhängendes Ganzes zu zeichnen.“ 28 .

1 Mayer R. Das Gesetz der Erhaltung und Umwandlung von Energie. M. - L., GTTI, 1933, p. 62.
2 Mayer R. Das Gesetz der Erhaltung und Umwandlung von Energie, p. 68-69.
3 Ebd., S. 85-86.
4 Mayer R. Das Gesetz der Erhaltung und Umwandlung von Energie, p. 130.
5 Goule G. Wissenschaftliche Arbeiten. Bd. 1, London, 1884, S. 120.
6 Joule J. Die wissenschaftlichen Arbeiten Bd. 1, S. 146.
7 Ebd., S. 270-271.
8 Helmholtz G. Zur Krafterhaltung. M., GTTI, 1922, p. 69-70.
9 He1mho11z N. Wissenschaftliche Abhandlungen. V. I. Leipzig, 1882. SS. 26-27.
10 Diese Schlussfolgerung von Helmholtz kann nicht als richtig angesehen werden. Maxwell machte darauf aufmerksam (siehe: Maxwell J.K. Ausgewählte Werke zur Theorie des elektromagnetischen Feldes. M., Gostekhizdat, 1952, S. 403-405).
11 Helmholtz G. Zur Erhaltung der Kraft. M. - L., GTTI, 1934, S. 115.
12 Ebd., S. 124.
13 Thomson W. Mathematische und physikalische Arbeiten. Bd. 1, Cambridge, 1882. P. 91.
14 Clausius R. Ann. Physik. B. 86, 1852, s. 337.
15 Rankin W. Verschiedene wissenschaftliche Arbeiten. London, 1881, S. 217.
16 Ebenda.
17 Mayer P. Das Gesetz der Erhaltung und Umwandlung von Energie, p. 279.
18 He1mho11z N. Fortschritte der Physik, V. Gahrgang, 1853, s. 241.
19 Clausius hatte bis 1862 eine geringe Meinung von Mayer. Tyndalls Brief, in dem er darum bat, über Maners Schriften informiert zu werden, zwang Clausius, die Werke Mayers eingehend zu studieren, was dazu führte, dass er seine Meinung stark änderte. Er informierte Tyndall darüber, indem er ihm Werke von Mayer schickte.
20 Rosenberger F. Geschichte der Physik, Teil III, Heft. II. M.-JI., ONTI, 1936, p. 55-56.
21 Ebd., S. 57.
22 Ebd., S. 54.
23 Ebenda.
24 Während E. Robert Mayer, der Galilei des 19. Jahrhunderts, Chemnitz,. 1880.
25 Marx K., Engels F. Soch. Ed. 2. T. 20, S. 400.
26 Ebd., S. 5
27 Marx K., Engels F. Soch. Ed. 2-e, T. 20, S. 353.
28 Marx K., Engels F. Soch. Ed. 2. T 21, S. 304.

Einführung

1. Grundlegende Bedeutung des Energieerhaltungssatzes

2. Geschichte der Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung

Abschluss

Referenzliste

Einführung

Die Relevanz unserer Arbeit liegt in der Betrachtung der Besonderheiten des Energieerhaltungssatzes, der eine Folge der Homogenität der Zeit ist und in diesem Sinne universell ist, also Systemen sehr unterschiedlicher physikalischer Natur innewohnt.

Der Zweck der Arbeit besteht darin, die Grundprinzipien des Energieerhaltungssatzes zu untersuchen.

Um das Ziel zu erreichen, müssen eine Reihe von Aufgaben gelöst werden:

1) die grundlegende Bedeutung des Energieerhaltungssatzes betrachten;

2) Studieren Sie die Geschichte der Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung.

Die Entdecker des Energieerhaltungs- und Energieumwandlungsgesetzes gingen unterschiedliche Wege zu seiner Begründung. Mayer begann mit der medizinischen Beobachtung und betrachtete es sofort als ein tiefgreifendes, umfassendes Gesetz und enthüllte eine Kette von Energieumwandlungen vom Weltraum bis zum lebenden Organismus. Joule hat beharrlich und beharrlich den quantitativen Zusammenhang zwischen Wärme und mechanischer Arbeit gemessen. Helmholtz verband das Recht mit der Forschung der großen Mechaniker des 18. Jahrhunderts.

1. Grundlegende Bedeutung des Energieerhaltungssatzes

Der Energieerhaltungssatz ist „ein empirisch festgestelltes grundlegendes Naturgesetz, das besagt, dass die Energie eines isolierten (geschlossenen) physikalischen Systems über die Zeit erhalten bleibt.“ Mit anderen Worten: Energie kann nicht aus dem Nichts kommen und nicht im Nichts verschwinden, sie kann sich nur von einer Form in eine andere bewegen.

Hier ist die Lagrange-Funktion, verallgemeinerte Koordinaten und ihre ersten bzw. zweiten Ableitungen nach der Zeit. Unter Verwendung der Lagrange-Gleichungen ersetzen wir die Ableitungen durch den Ausdruck:

Schreiben wir den letzten Ausdruck im Formular um

Der Betrag in Klammern wird per Definition als Energie des Systems bezeichnet und ist, da seine Gesamtableitung nach der Zeit gleich Null ist, ein Integral der Bewegung (d. h. er bleibt erhalten).

2. Geschichte der Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung

Gesetz der Erhaltungstransformationsenergie

Die Erfolge der experimentellen Thermophysik und vor allem der Kalorimetrie schienen für die Kalorik zu sprechen. Aber das gleiche XIX Jahrhundert. brachte visuelle Beweise für den Zusammenhang zwischen Wärme und mechanischer Bewegung. Dass durch Reibung Wärme entsteht, ist natürlich schon seit jeher bekannt. Befürworter der Wärme sahen in diesem Phänomen etwas Ähnliches wie die Elektrifizierung von Körpern durch Reibung – Reibung trägt dazu bei, Kalorien aus dem Körper zu verdrängen. Doch im Jahr 1798 machte Benjamin Thompson (1753–1814), der 1790 Graf Rumfoord wurde, in Münchner Militärwerkstätten eine wichtige Beobachtung: Beim Bohren eines Kanals in ein Kanonenrohr wird eine große Menge Wärme freigesetzt. Um dieses Phänomen genau zu untersuchen, experimentierte Rumfoord damit, einen Kanal in einen aus Rotguss gefertigten Zylinder zu bohren. Ein stumpfer Bohrer wurde in den gebohrten Kanal eingeführt, fest gegen die Kanalwände gedrückt und in Rotation versetzt. Ein in den Zylinder eingesetztes Thermometer zeigte, dass die Temperatur innerhalb von 30 Minuten nach dem Betrieb um 70 Grad Fahrenheit gestiegen war. Rumfoord wiederholte das Experiment, indem er den Zylinder und den Bohrer in ein Gefäß mit Wasser tauchte. Während des Bohrvorgangs erhitzte sich das Wasser und kochte nach 2,5 Stunden. Rumfoord betrachtete dieses Experiment als Beweis dafür, dass Wärme eine Form der Bewegung ist.

Laut Mayer werden alle Bewegungen und Veränderungen in der Welt durch „Unterschiede“ erzeugt, die Kräfte hervorbringen, die diese Unterschiede zerstören wollen. Aber die Bewegung hört nicht auf, denn die Kräfte sind unzerstörbar und stellen Unterschiede wieder her. „Das Prinzip, nach dem einmal gegebene Kräfte wie Stoffe quantitativ unverändert bleiben, sichert uns also logischerweise den Fortbestand der Unterschiede und damit der materiellen Welt.“ Diese von Mayer vorgeschlagene Formulierung ist leicht kritikwürdig. Der Begriff „Differenz“ ist nicht genau definiert; es ist unklar, was mit dem Begriff „Kraft“ gemeint ist. Dies ist eine Vorahnung des Gesetzes und nicht des Gesetzes selbst. Aus der weiteren Darstellung wird aber deutlich, dass er unter Kraft die Ursache der Bewegung versteht, die am Produkt aus Masse und Geschwindigkeit gemessen wird. „Bewegung, Wärme und Elektrizität sind auf eine Kraft reduzierbare Phänomene, die aneinander gemessen werden und sich nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten ineinander umwandeln.“ Dies ist eine sehr eindeutige und klare Formulierung des Gesetzes der Krafterhaltung und -umwandlung, d.h. Energie.

Mayer vollendete die Entwicklung seiner Ideen im Jahr 1848, als er in der Broschüre „Dynamics of the Sky in a Popular Presentation“ das wichtigste Problem der Quelle der Sonnenenergie aufstellte und zu lösen versuchte. Mayer erkannte, dass chemische Energie nicht ausreichte, um den enormen Energieaufwand der Sonne auszugleichen. Von den anderen Energiequellen seiner Zeit kannte man jedoch nur mechanische Energie. Und Mayer kam zu dem Schluss, dass die Hitze der Sonne durch das Bombardement von Meteoriten ergänzt wird, die von allen Seiten kontinuierlich aus dem umgebenden Weltraum auf sie fallen. Er gibt zu, dass die Entdeckung zufällig gemacht wurde (eine Beobachtung in Java), aber „sie ist immer noch mein Eigentum und ich zögere nicht, mein Prioritätsrecht zu verteidigen.“ Mayer weist weiter darauf hin, dass das Energieerhaltungsgesetz „sowie sein numerischer Ausdruck, das mechanische Äquivalent der Wärme, fast gleichzeitig in Deutschland und England veröffentlicht wurden“. Er verweist auf Joules Forschungen und gibt zu, dass Joule das Gesetz der Erhaltung und Umwandlung von Energie „bedingungslos unabhängig entdeckt“ habe und dass ihm „zahlreiche wichtige Errungenschaften bei der Weiterentwicklung dieses Gesetzes zu verdanken sind“. Aber Mayer ist nicht geneigt, sein Recht auf Priorität aufzugeben, und weist darauf hin, dass aus seinen Werken selbst klar hervorgeht, dass er nicht auf Wirkung aus ist. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Sie die Rechte an Ihrem Eigentum aufgeben.

Lenz hat die experimentelle Methodik sorgfältig durchdacht und entwickelt, das Tangentengalvanometer, das ihm als Strommesser diente, getestet und überprüft, die von ihm verwendete Widerstandseinheit bestimmt (denken Sie daran, dass das Ohmsche Gesetz zu diesem Zeitpunkt noch nicht allgemein gebräuchlich war), sowie die Einheiten Strom und elektromotorische Kraft, wobei letztere in Strom- und Widerstandseinheiten ausgedrückt werden. Lenz untersuchte sorgfältig das Verhalten von Widerständen, insbesondere untersuchte er die Existenz des sogenannten „Übergangswiderstands“ beim Übergang vom Feststoff in die Flüssigkeit. Dieses Konzept wurde von einigen Physikern in einer Zeit eingeführt, als das Ohmsche Gesetz noch nicht allgemein akzeptiert war. Dann ging er zum Hauptexperiment über, dessen Ergebnisse er in den folgenden zwei Bestimmungen formulierte: Die Erwärmung des Drahtes durch galvanischen Strom ist proportional zum Widerstand des Drahtes; Die Erwärmung des Drahtes durch galvanischen Strom ist proportional zum Quadrat des zum Erhitzen verwendeten Stroms. Die Genauigkeit und Gründlichkeit von Lenz‘ Experimenten sicherten die Anerkennung des Gesetzes, das unter dem Namen Joule-Lenz-Gesetz in die Wissenschaft einging.

Indem er den Elektromagneten einer Induktionsmaschine mit Hilfe eines fallenden Gewichts drehte, bestimmte Joule den Zusammenhang zwischen der Arbeit des fallenden Gewichts und der im Stromkreis erzeugten Wärme. Als durchschnittliches Ergebnis seiner Messungen stellte er fest, dass „die Wärmemenge, die ein Pfund Wasser um ein Grad Fahrenheit anheben kann, in eine mechanische Kraft umgewandelt werden kann, die in der Lage ist, 838 Pfund auf eine vertikale Höhe von einem Fuß zu heben.“ Wenn wir die Einheiten Pfund und Fuß in Kilogramm und Meter und Grad Fahrenheit in Grad Celsius umrechnen, stellen wir fest, dass das mechanische Wärmeäquivalent, berechnet durch Joule, 460 kgf-m / kcal beträgt. Diese Schlussfolgerung führt Joule zu einer weiteren, allgemeineren Schlussfolgerung, die er in weiteren Experimenten zu überprüfen verspricht: „Die mächtigen Kräfte der Natur ... sind unzerstörbar, und ... in allen Fällen, in denen mechanische Kraft aufgewendet wird, ist genau die gleiche Menge an Kraft erforderlich Wärme entsteht.“ Er argumentiert, dass tierische Wärme durch chemische Umwandlungen im Körper entsteht und dass chemische Umwandlungen selbst das Ergebnis der Wirkung chemischer Kräfte sind, die aus dem „Fall von Atomen“ entstehen Dieselben Schlussfolgerungen, zu denen Mayer zuvor gelangt war.

Joule setzte seine Experimente in den 60er und 70er Jahren fort. 1870 wurde er Mitglied der Kommission zur Bestimmung des mechanischen Wärmeäquivalents. Zu dieser Kommission gehörten V. Thomson, Maxwell und andere Wissenschaftler. Aber Joule beschränkte sich nicht auf die Arbeit eines Experimentators. Er vertrat entschieden den Standpunkt der kinetischen Theorie der Wärme und wurde einer der Begründer der kinetischen Theorie der Gase. Diese Arbeit von Joule wird später besprochen. Im Gegensatz zu seinen Vorgängern verbindet Helmholtz das Gesetz mit dem Prinzip der Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobile (Perpetuum Mobile). Dieses Prinzip wurde von Leonardo da Vinci, einem Wissenschaftler aus dem 17. Jahrhundert, akzeptiert. (Denken Sie daran, dass Stevin das Gesetz der schiefen Ebene auf der Unmöglichkeit der ewigen Bewegung gründete) und schließlich im 18. Jahrhundert. Die Pariser Akademie der Wissenschaften weigerte sich, Perpetuum-Motion-Projekte in Betracht zu ziehen. Helmholtz hält das Prinzip der Unmöglichkeit des Perpetuum Mobile für identisch mit dem Prinzip, dass „alle Wirkungen in der Natur auf anziehende oder abstoßende Kräfte reduziert werden können“. Helmholtz betrachtet Materie als passiv und unbeweglich. Um die Veränderungen zu beschreiben, die in der Welt stattfinden, muss sie sowohl mit anziehenden als auch abstoßenden Kräften ausgestattet sein. „Die Phänomene der Natur“, schreibt Helmholtz, „müssen auf Bewegungen der Materie mit konstanten Antriebskräften reduziert werden, die nur von räumlichen Beziehungen abhängen.“ Die Entdecker des Energieerhaltungs- und Energieumwandlungsgesetzes gingen unterschiedliche Wege zu seiner Begründung. Mayer begann mit der medizinischen Beobachtung und betrachtete es sofort als ein tiefgreifendes, umfassendes Gesetz und enthüllte eine Kette von Energieumwandlungen vom Weltraum bis zum lebenden Organismus. Joule hat beharrlich und beharrlich den quantitativen Zusammenhang zwischen Wärme und mechanischer Arbeit gemessen. Helmholtz verband das Recht mit der Forschung der großen Mechaniker des 18. Jahrhunderts. Auf unterschiedlichen Wegen kämpften sie zusammen mit vielen anderen Zeitgenossen trotz des Widerstands der Zunftwissenschaftler beharrlich für die Genehmigung und Anerkennung des Gesetzes. Der Kampf war nicht einfach und wurde manchmal tragisch, aber er endete mit einem vollständigen Sieg. Der Wissenschaft steht das große Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung zur Verfügung.

Abschluss

Referenzliste

1. 100 große wissenschaftliche Entdeckungen / unter D.K. Samina. - M.: Veche, 2002. - 480 S.

2. Antoshina, L.G., Pavlov, S.V., Skipetrova, L.A. Allgemeine Physik. Aufgabensammlung / L.G. Antoshina, S.V. Pawlow, L.A. Skipetrova. - M.: Infra-M, 2008. - 336 S.

3. Blokhintsev, D.I. Grundlagen der Quantenmechanik / D.I. Blochinzew. - St. Petersburg: Lan, 2004. - 672 S.

4. Dukov, V.M. Geschichte der Formulierung des Energieerhaltungssatzes / V.M. Dukov // Physik. -- M.: Erster September. – 2002. – Nr. 31/02. -- S. 32--34.

5. Kubo, R. Thermodynamik / R. Kubo. - M.: Nauka, 2007. - 307 S.

6. Sivukhin, D.V. Allgemeiner Kurs in Physik / D.V. Sivukhin. - M.: Fizmatlit, 2004. - 656 S.

7. Tipler, P.A., Llewellyn, R.A. Moderne Physik / P.A. Tipler, R.A. Llewellyn. - M.: Mir, 2007. - 496 S.

Seiten der Geschichte

Lassen Sie uns zunächst herausfinden, wer das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung entdeckt hat. Im Jahr 1841 führten der englische Physiker Joule und der russische Wissenschaftler Lenz parallele Experimente durch, wodurch Wissenschaftler den Zusammenhang zwischen mechanischer Arbeit und Wärme praktisch klären konnten.

Zahlreiche von Physikern in verschiedenen Teilen unseres Planeten durchgeführte Studien haben die Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung vorangetrieben. Mitte des 19. Jahrhunderts gab der deutsche Wissenschaftler Mayer seine Formulierung vor. Der Wissenschaftler versuchte, alle damals vorhandenen Informationen über Elektrizität, mechanische Bewegung, Magnetismus und menschliche Physiologie zusammenzufassen.

Etwa zur gleichen Zeit äußerten Wissenschaftler in Dänemark, England und Deutschland ähnliche Gedanken.

Experimente mit Wärme

Trotz der Vielfalt der Vorstellungen über Wärme konnte nur der russische Wissenschaftler Michail Wassiljewitsch Lomonossow ein vollständiges Verständnis davon vermitteln. Seine Zeitgenossen unterstützten seine Ideen nicht; sie glaubten, dass Wärme nichts mit der Bewegung der kleinsten Teilchen zu tun habe, aus denen die Materie besteht.

Das von Lomonossow vorgeschlagene Gesetz der Erhaltung und Umwandlung mechanischer Energie wurde erst bestätigt, nachdem es Rumfoord im Verlauf von Experimenten gelang, das Vorhandensein einer Teilchenbewegung innerhalb der Materie nachzuweisen.

Um Wärme zu gewinnen, versuchte der Physiker Davy, Eis zu schmelzen, indem er zwei Eisstücke aneinander rieb. Er stellte eine Hypothese auf, nach der Wärme als oszillierende Bewegung von Materieteilchen betrachtet wurde.

Laut Mayer geht das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung von der Unveränderlichkeit der Kräfte aus, die die Entstehung von Wärme verursachen. Diese Idee wurde von anderen Wissenschaftlern kritisiert, die daran erinnerten, dass Kraft mit Geschwindigkeit und Masse zusammenhängt und ihr Wert daher kein konstanter Wert bleiben könne.

Ende des 19. Jahrhunderts fasste Mayer seine Ideen in einer Broschüre zusammen und versuchte, das drängende Problem der Wärme zu lösen. Wie wurde damals das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung angewendet? In der Mechanik gab es keinen Konsens über die Methoden der Energiegewinnung und -umwandlung, so dass diese Frage bis zum Ende des 19. Jahrhunderts offen blieb.

Merkmal des Gesetzes

Das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung ist eines der grundlegenden Gesetze, das unter bestimmten Bedingungen die Messung physikalischer Größen ermöglicht. Es wird der erste Hauptsatz der Thermodynamik genannt, dessen Hauptziel die Erhaltung dieser Größe unter den Bedingungen eines isolierten Systems ist.

Das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung stellt einen Zusammenhang zwischen der Menge an Wärmeenergie, die in die Wechselwirkungszone verschiedener Stoffe gelangt, und der Menge, die diese Zone verlässt, her.

Der Übergang einer Energieart zu einer anderen bedeutet nicht, dass sie verschwindet. Nein, es wird nur seine Umwandlung in eine andere Form beobachtet.

In diesem Fall besteht ein Zusammenhang: Arbeit – Energie. Das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung geht von der Konstanz dieser Größe (ihrer Gesamtmenge) während aller in dieser Umgebung ablaufenden Prozesse aus. Dies weist darauf hin, dass beim Übergang von einer Art zur anderen quantitative Äquivalenz beobachtet wird. Um eine quantitative Beschreibung verschiedener Bewegungsarten zu geben, wurden in der Physik nukleare, chemische, elektromagnetische und thermische Energie eingeführt.

Moderne Formulierung

Wie wird das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung heute gelesen? Die klassische Physik bietet eine mathematische Darstellung dieses Postulats in Form einer verallgemeinerten Zustandsgleichung eines thermodynamischen geschlossenen Systems:

Diese Gleichung zeigt, dass die gesamte mechanische Energie eines geschlossenen Systems als Summe aus kinetischer, potentieller und innerer Energie bestimmt wird.

Das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung, dessen Formel oben dargestellt wurde, erklärt die Unveränderlichkeit dieser physikalischen Größe in einem geschlossenen System.

Der Hauptnachteil der mathematischen Notation besteht darin, dass sie nur für ein geschlossenes thermodynamisches System relevant ist.

Offene Systeme

Wenn wir das Inkrementprinzip berücksichtigen, ist es durchaus möglich, den Energieerhaltungssatz auf offene physikalische Systeme auszudehnen. Dieses Prinzip empfiehlt, mathematische Gleichungen zur Beschreibung des Systemzustands nicht in absoluten Zahlen, sondern in ihren numerischen Inkrementen aufzuschreiben.

Um alle Energieformen vollständig zu berücksichtigen, wurde vorgeschlagen, zur klassischen Gleichung eines idealen Systems die Summe der Energiezuwächse hinzuzufügen, die durch Zustandsänderungen des analysierten Systems unter dem Einfluss verschiedener Energieformen verursacht werden Feld.

In einer verallgemeinerten Version sieht es so aus:

dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj

Diese Gleichung gilt als die vollständigste in der modernen Physik. Dies wurde zur Grundlage des Gesetzes der Energieerhaltung und -umwandlung.

Bedeutung

In der Wissenschaft gibt es keine Ausnahmen von diesem Gesetz; es regelt alle Naturphänomene. Auf der Grundlage dieses Postulats kann man Hypothesen über verschiedene Motoren aufstellen, einschließlich Widerlegungen der Realität der Entwicklung eines ewigen Mechanismus. Es kann überall dort eingesetzt werden, wo es darum geht, die Übergänge von einer Energieart zur anderen zu erklären.

Anwendung in der Mechanik

Wie wird das Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung heute gelesen? Ihr Wesen liegt im Übergang von einer Art dieser Größe zu einer anderen, gleichzeitig bleibt ihr allgemeiner Wert jedoch unverändert. Als konservativ werden solche Systeme bezeichnet, in denen mechanische Prozesse ablaufen. Solche Systeme sind idealisiert, das heißt, sie berücksichtigen keine Reibungskräfte und andere Arten von Widerständen, die zur Dissipation mechanischer Energie führen.

In einem konservativen System kommt es nur zu gegenseitigen Übergängen potentieller Energie in kinetische Energie.

Die Arbeit der Kräfte, die in einem solchen System auf einen Körper wirken, hängt nicht von der Form der Bahn ab. Sein Wert hängt von der End- und Ausgangsposition des Körpers ab. Als Beispiel für Kräfte dieser Art in der Physik wird die Schwerkraft betrachtet. In einem konservativen System ist die von einer Kraft in einem geschlossenen Abschnitt geleistete Arbeit Null, und der Energieerhaltungssatz gilt in der folgenden Form: „In einem konservativen geschlossenen System ist die Summe aus potentieller und kinetischer Energie.“ der Körper, aus denen das System besteht, bleibt unverändert.“

Beispielsweise wird beim freien Fall eines Körpers potentielle Energie in kinetische Form umgewandelt, während sich der Gesamtwert dieser Typen nicht ändert.

Abschließend

Mechanische Arbeit kann als einzige Möglichkeit des gegenseitigen Übergangs mechanischer Bewegung in andere Materieformen angesehen werden.

Dieses Gesetz hat in der Technik Anwendung gefunden. Nach dem Abstellen des Automotors kommt es zu einem allmählichen Verlust der kinetischen Energie, gefolgt vom Anhalten des Fahrzeugs. Studien haben gezeigt, dass dabei eine gewisse Wärmemenge freigesetzt wird, wodurch sich die Reibkörper erwärmen und ihre innere Energie erhöht. Bei Reibung oder einem Bewegungswiderstand wird ein Übergang mechanischer Energie in einen inneren Wert beobachtet, der auf die Richtigkeit des Gesetzes hinweist.

Seine moderne Formulierung sieht so aus: „Die Energie eines isolierten Systems verschwindet nicht im Nichts, erscheint nicht aus dem Nichts.“ Bei allen Phänomenen innerhalb eines Systems gibt es einen Übergang von einer Energieart zur anderen, eine Übertragung von einem Körper auf einen anderen, ohne quantitative Veränderung.“

Nach der Entdeckung dieses Gesetzes geben die Physiker die Idee, ein Perpetuum Mobile zu schaffen, bei dem sich in einem geschlossenen Kreislauf die vom System an die umgebende Welt übertragene Wärmemenge nicht ändert, nicht auf , im Vergleich zur von außen aufgenommenen Wärme. Eine solche Maschine könnte zu einer unerschöpflichen Wärmequelle werden und das Energieproblem der Menschheit lösen.

Entdeckung des Energieerhaltungssatzes. Schullexikon

MEHR SEHEN:

GESCHICHTE DER ENTDECKUNG DES GESETZES DER ERHALTUNG UND TRANSFORMATION DER ENERGIE

MEHR SEHEN:

Gesetz zur Erhaltung der mechanischen Energie

Formulierung des Gesetzes zur Erhaltung der mechanischen Energie.

Ähnliche Dokumente

Seiten der Geschichte

Experimente mit Wärme

Merkmal des Gesetzes

Moderne Formulierung

Offene Systeme

Bedeutung

Anwendung in der Mechanik

Abschließend