Відкриття закону збереження енергії. Шкільна енциклопедія

Важливу роль у відкритті закону збереження та перетворення енергії відіграли праці Е.Х. Ленца і, зокрема, відкриття ним закону про спрямування індукованого струму та принципу оборотності електричних машин. Важливою передумовою відкриття закону збереження та перетворення енергії з'явилися успіхи біології. Розвіювався міф про особливу «життєву силу» в організмах людини та тварин. Було встановлено прямий зв'язок між кількістю споживаної їжі та здатністю виконувати роботу.

ПОДИВИТИСЯ ЩЕ:

Закон збереження енергії відкрили не фізиком, а лікарем.

У 1840 році на острові Ява судновий лікар німець Роберт Майєр розкрив хворому вену і ... на свій жах виявив, що потекла не темна кров, а червона! Невже він замість вени потрапив до артерії? Переляк лікаря пояснювався тим, що червона кров тече артеріями від серця - це кров, наповнена киснем. А назад до серця кров тече по венах. У венозній крові залишається мало кисню, тому колір у неї темно-червоний. Кровотеча з артерії смертельно небезпечна.

Проте місцеві лікарі заспокоїли Майєра: вони пояснили, що тут, у тропіках, венозна кров у людей така ж червона, як і артеріальна.

«Чому так відбувається? - Замислюється Майєр. - Може, річ у тому, що температура повітря тут майже дорівнює температурі людського тіла... Організму не потрібно витрачати чинність (на той час) енергію ще називали силою!) на підтримку температури тіла, тому кисень залишається в крові – адже силу дає саме згоряння кисню. Але це означає, що сила зберігається : вона тільки перетворюється з одного виду на інший, але ніколи не зникає і не з'являється з нічого ».

Розвиваючи свою ідею, Майєр вивчив усі відомі йому перетворення енергії - кінетичної на потенційну і назад, механічної енергії у внутрішню та внутрішньої енергії на механічну, розглянув електричну та хімічну енергії.

Незалежно від Майєра, але декількома роками пізніше закон збереження енергії був відкритий англійським фізиком Джеймсом Джоулем і німецьким натуралістом Германом Гельмгольцем.

Всі ці вчені були дуже молоді, коли вони зробили своє велике відкриття: Майєру було 28 років, Джоулю – 25, а Гельмгольцю – 26.

Задовго до відкриттів Майєра, Джоуля та Гельмгольця дуже близько до відкриття закону збереження енергії підійшов видатний російський учений Михайло Ломоносов.

Але, на жаль, праці Ломоносова тривалий час залишалися невідомими європейським ученим.

Ідея про взаємоперетворення механічної та внутрішньої енергії була висловлена, також до відкриттів Майєра, Джоуля та Гельмгольця, фізиком та інженером Томпсоном, який отримав популярність як граф Румфорд.

Фундаментальний зміст закону збереження енергії

Закон збереження енергії - «фундаментальний закон природи, встановлений емпірично і полягає в тому, що енергія ізольованої (замкненої) фізичної системи зберігається з часом». Іншими словами, енергія не може виникнути з нічого і не може зникнути в нікуди, вона може лише переходити з однієї форми до іншої.

З фундаментальної точки зору, згідно з теоремою Нетер, закон збереження енергії є наслідком однорідності часу і в цьому сенсі є універсальним, тобто властивим системам різної фізичної природи. Інакше кажучи, кожної конкретної замкнутої системи, незалежно від її природи можна визначити якусь величину, звану енергією, яка зберігатиметься у часі. При цьому виконання цього закону збереження в кожній конкретно взятій системі обґрунтовується підпорядкуванням цієї системи своїм специфічним законам динаміки, взагалі кажучи різним для різних систем.

Однак у різних розділах фізики з історичних причин закон збереження енергії формулюється по-різному, у зв'язку з чим йдеться про збереження різних видів енергії. Наприклад, у термодинаміці закон збереження енергії виражається у вигляді першого початку термодинаміки.

Оскільки закон збереження енергії відноситься не до конкретних величин і явищ, а відображає загальну, застосовну скрізь і завжди закономірність, то правильнішим є його ім'я не законом, а принципом збереження енергії.

З математичної точки зору закон збереження енергії еквівалентний твердженню, що система диференціальних рівнянь, що описує динаміку даної фізичної системи, має перший інтеграл руху, пов'язаний із симетричністю рівнянь щодо зсуву в часі.

Відповідно до теореми Нетер кожному закону збереження ставиться у відповідність певна симетрія рівнянь, що описують систему. Зокрема, закон збереження енергії еквівалентний однорідності часу, тобто незалежності всіх законів, що описують систему, від часу, коли система розглядається.

Висновок цього твердження може бути зроблено, наприклад, на основі лагранжевого формалізму. Якщо час однорідно, то функція Лагранжа, яка описує систему, залежить від часу, тому повна її похідна за часом має вигляд:

Тут – функція Лагранжа, – узагальнені координати та їх перші та другі похідні за часом відповідно. Скориставшись рівняннями Лагранжа, замінимо похідні на вираз:

Перепишемо останній вираз у вигляді

Сума, що стоїть у дужках, за визначенням називається енергією системи і в силу рівності нулю повної похідної від неї за часом є інтегралом руху (тобто зберігається).

Історія відкриття закону збереження та перетворення енергії

У 1841 р. російський вчений Ленц та англієць Джоуль майже одночасно і незалежно один від одного експериментально довели, що теплота може бути створена за рахунок механічної роботи. Джоуль визначив механічний еквівалент тепла. Ці та інші дослідження підготували відкриття закону збереження та перетворення енергії. У 1842-1845 р.р. німецький вчений Р. Майєр сформулював цей закон на основі узагальнення даних природознавства про механічний рух, електрику, магнетизм, хімію і навіть фізіологію людини. Одночасно в Англії (Гров) та Данії (Кольдинг) були висловлені аналогічні ідеї. Дещо пізніше цей закон розробляв Гельмгольц (Німеччина)

Погляди на теплоту як форму руху найдрібніших «нечутливих» частинок матерії висловлювалися ще XVII в. Ф. Бекон, Декарт, Ньютон, Гук та багато інших приходили до думки, що теплота пов'язана з рухом частинок речовини. Але з усією повнотою та визначеністю цю ідею розробляв та відстоював Ломоносов. Однак він був на самоті, його сучасники переходили на бік концепції теплорода, і, як ми бачили, ця концепція розділялася багатьма визначними вченими XIX століття.

Успіхи експериментальної теплофізики, насамперед калориметрії, здавалося, свідчили на користь теплорода. Але той же в XIX ст. приніс наочні докази зв'язку теплоти із механічним рухом. Звичайно, факт виділення тепла при терті був відомий з давніх-давен. Прибічники теплоти вбачали у цьому явищі щось аналогічне електризації тіл тертям – тертя сприяє вичавленню теплорода з тіла. Однак у 1798 р. Бенжамен Томпсон (1753-1814), який став з 1790 р. графом Румфордом, зробив у мюнхенських військових майстерень важливе спостереження: при висвердлюванні каналу в гарматному стволі виділяється велика кількість тепла. Щоб дослідити це явище, Румфорд проробив досвід зі свердління каналу в циліндрі, виточеному з гарматного металу. У висвердлений канал поміщали тупе свердло, щільно притиснуте до стінок каналу і приводилося в обертання. Термометр, вставлений у циліндр, показав, що за 30 хвилин операції температура піднялася на 70 градусів Фаренгейта. Румфорд повторив досвід, зануривши циліндр і свердло до посудини з водою. У процесі свердління вода нагрівалася і за 2,5 години закипала. Цей досвід Румфорд вважав доказом, що теплота є формою руху.

Досліди щодо отримання теплоти тертям повторив Деві. Він плавив лід тертям двох шматків одне одного. Деві дійшов висновку, що слід залишити гіпотезу про теплороді і розглядати теплоту як коливальний рух частинок матерії.

За Майєром, всі рухи та зміни у світі породжуються «різностями», що викликають сили, які прагнуть знищити ці різниці. Але рух не припиняється, тому що сили не знищуються і відновлюють різницю. «Таким чином, принцип, згідно з яким якраз ці сили кількісно незмінні, подібно до речовин, логічно забезпечує нам продовження існування різниць, а отже, і матеріального світу». Це формулювання, запропоноване Майєром, легко вразливе для критики. Не визначено точно поняття «різниця», неясно, що розуміється під терміном «сила». Це передчуття закону, а не ще закон. Але з подальшого викладу зрозуміло, що під силою він розуміє причину руху, що вимірюється добутком маси на швидкість. «Рух, теплота і електрика є явища, які можуть бути зведені до однієї сили, які вимірюються один одним і переходять один в одного за певними законами». Це цілком певна і ясна формулювання закону збереження та перетворення сили, тобто. енергії.

Задавшись метою застосувати ідеї механіки у фізіології, Майєр починає з з'ясування поняття сили. І тут він знову повторює думку про неможливість виникнення руху з нічого, сила – причина руху, а причина руху є неруйнівним об'єктом. Це формулювання разюче нагадує формулювання «загального закону» Ломоносова, поширюваного ним «і самі правила руху». Зауважимо, що висування Ломоносовим і Майєром загального закону збереження як «верховний закон природи» прийнято сучасною наукою, яка формулює численні конкретні закони збереження як основну опору наукового дослідження. Майєр докладно підраховує механічний еквівалент теплоти з різниці теплоємностей газу (цей підрахунок нерідко відтворюється в шкільних підручниках фізики) і знаходить його, спираючись на вимірювання Делароша і Берара, а також Дюлонга, що визначили відношення теплоємностей для повітря рівним 367 кгс/м.

Майєр закінчив розвиток своїх ідей до 1848, коли в брошурі «Динаміка неба в популярному викладі» він поставив і спробував вирішити найважливішу проблему про джерело сонячної енергії. Майєр зрозумів, що хімічна енергія є недостатньою для поповнення величезних витрат енергії Сонця. Але з інших джерел енергії у його час була відома лише механічна енергія. І Майєр зробив висновок, що теплота Сонця заповнюється бомбардуванням його метеоритами, що падають на нього з усіх боків безперервно з навколишнього простору. Він визнає, що відкриття зроблено їм випадково (спостереження на Яві), але «воно все ж таки моя власність, і я не вагаюся захищати своє право пріоритету». Майєр вказує далі, що закон збереження енергії, а також чисельний вираз його, механічний еквівалент теплоти, були майже одночасно опубліковані в Німеччині та Англії. Він вказує на дослідження Джоуля і визнає, що Джоуль «відкрив безумовно самостійно» закон збереження та перетворення енергії та що «йому належать численні важливі заслуги у справі подальшого обґрунтування та розвитку цього закону». Але Майєр не схильний поступатися своїм правом на пріоритет і вказує, що з самих його робіт видно, що він не женеться за ефектом. Це, проте, значить відмовитися від прав на власність.

Задовго до Джоуля дослідження було розпочато петербурзьким академіком Е.Х. Ленцем, який опублікував свою роботу 1843 р. під назвою «Про закони виділення тепла електричним струмом». Ленц згадує про роботу Джоуля, публікація якого випередила публікацію Ленца, але вважає, що, хоча його результати в основному збігаються з результатами Джоуля, вони вільні від тих обґрунтованих заперечень, які викликають роботи Джоуля.

Ленц ретельно продумав і розробив методику експерименту, випробував і перевірив тангенс-гальванометр, який служив у нього вимірювачем струму, визначив одиницю опору, що застосовується ним (нагадаємо, що закон Ома до цього часу ще не увійшов у загальне вживання), а також одиниці струму та електрорушійної сили , висловивши останню через одиниці струму та опору.

Ленц ретельно вивчив поведінку опорів, зокрема досліджував питання про існування так званого «перехідного опору» при переході з твердого тіла в рідину. Це вводилося деякими фізиками в епоху, коли закон Ома ще був загальновизнаним. Потім він перейшов до основного експерименту, результати якого сформулював у двох наступних положеннях: нагрівання дроту гальванічним струмом пропорційно опору дроту; нагрівання дроту гальванічним струмом пропорційно квадрату службовця для нагрівання струму. Точність і докладність дослідів Ленца забезпечили визнання закону, що у науку під назвою закону Джоуля - Ленца.

Джоуль зробив свої експерименти щодо виділення тепла електричним струмом вихідним пунктом подальших досліджень з'ясування зв'язку між теплотою та роботою. Вже на перших дослідах він став здогадуватися, що теплота, що виділяється у дроті, що з'єднує полюси гальванічної батареї, породжується хімічними перетвореннями в батареї, тобто став прозрівати енергетичний зміст закону. Щоб з'ясувати далі питання про походження «джоулева тепла» (як тепер називається теплота, що виділяється електричним струмом), він почав досліджувати теплоту, що виділяється індукованим струмом. У роботі «Про тепловий ефект магнітоелектрики та механічний ефект теплоти», доповіданій на зборах Британської Асоціації в серпні 1843 р., Джоуль сформулював висновок, що теплоту можна створювати за допомогою механічної роботи, використовуючи магнітоелектрику (електромагнітну індукцію), і індукційного струму.

Обертаючи електромагніт індукційної машини за допомогою падаючого вантажу, Джоуль визначив співвідношення між роботою падаючого вантажу і теплотою, що виділяється в ланцюзі. Він знайшов як середній результат зі своїх вимірів, що «кількість тепла, яка може нагріти один фунт води на один градус Фаренгейта, може бути перетворена на механічну силу, яка може підняти 838 фунтів на вертикальну висоту в один фут». Переводячи одиниці фунт і фут в кілограми і метри і градус Фаренгейта в Цельсій, знайдемо, що механічний еквівалент тепла, обчислений Джоулем, дорівнює 460 кгс-м/ккал. Цей висновок наводить Джоуля до іншого, більш загального висновку, який він обіцяє перевірити в подальших експериментах: «Могутні сили природи… неруйнівні, і… у всіх випадках, коли витрачається механічна сила, виходить точна еквівалентна кількість теплоти». Він стверджує, що тваринна теплота виникає в результаті хімічних перетворень в організмі і що самі хімічні перетворення є результатом дії хімічних сил, що виникають з «падіння атомів». .

Джоуль продовжував свої експерименти і в 60-х і 70-х роках. У 1870 р. він увійшов до складу комісії щодо визначення механічного еквівалента теплоти. До складу цієї комісії входили В. Томсон, Максвелл та інші вчені. Але Джоуль не обмежився роботою експериментатора. Він рішуче став на думку кінетичної теорії теплоти і став одним із основоположників кінетичної теорії газів. Про цю роботу Джоуля буде сказано пізніше. На відміну від своїх попередників Гельмгольц пов'язує закон із принципом неможливості вічного двигуна (peгрetuum mobile). Цей принцип приймав ще Леонардо да Вінчі, вчені XVII ст. (Згадаймо, що Стевін обґрунтував закон похилої площини неможливістю вічного руху), і, нарешті, у XVIII ст. Паризька Академія наук відмовилася розглядати проекти вічного двигуна.

Гельмгольц вважає принцип неможливості вічного двигуна тотожним принципу, що «всі дії у природі можна звести на привабливі чи відштовхувальні сили». Матерію Гельмгольц розглядає як пасивну та нерухому. Для того щоб описати зміни, що відбуваються у світі, її треба наділити силами як привабливими, так і відразливими. «Яви природи, - пише Гельмгольц, - мають бути зведені до рухів матерії з незмінними рушійними силами, які залежить лише від просторових взаємин». Різними шляхами йшли відкривачі закону збереження та перетворення енергії для його встановлення. Майєр, почавши з медичного спостереження, одразу розглядав його як глибокий всеосяжний закон і розкривав ланцюг енергетичних перетворень від космосу до живого організму. Джоуль завзято і наполегливо вимірював кількісне співвідношення теплоти та механічної роботи. Гельмгольц пов'язав закон із дослідженнями великих механіків XVIII ст. Йдучи різними шляхами, вони поряд із багатьма іншими сучасниками наполегливо боролися за утвердження та визнання закону всупереч протидії цехових учених. Боротьба була нелегкою і часом набувала трагічного характеру, але вона закінчилася повною перемогою. Наука отримала у своє розпорядження великий закон збереження та перетворення енергії.

Закон збереження енергії - фундаментальний закон природи, встановлений емпірично і полягає в тому, що енергія ізольованої (замкнутої) фізичної системи зберігається з часом. Іншими словами, енергія не може виникнути з нічого і не може зникнути в нікуди, вона може лише переходити з однієї форми до іншої.

Однак у різних розділах фізики з історичних причин закон збереження енергії формулюється по-різному, у зв'язку з чим йдеться про збереження різних видів енергії. Наприклад, у термодинаміці закон збереження енергії виражається у вигляді першого початку термодинаміки. Оскільки закон збереження енергії відноситься не до конкретних величин і явищ, а відображає загальну, застосовну скрізь і завжди закономірність, то правильнішим є його ім'я не законом, а принципом збереження енергії.

Російський вчений Ленц та англієць Джоуль майже одночасно і незалежно один від одного експериментально довели, що теплота може бути створена за рахунок механічної роботи. Джоуль визначив механічний еквівалент тепла. Ці та інші дослідження підготували відкриття закону збереження та перетворення енергії. У 1842-1845 р.р. німецький вчений Р. Майєр сформулював цей закон на основі узагальнення даних природознавства про механічний рух, електрику, магнетизм, хімію і навіть фізіологію людини. Одночасно в Англії (Гров) та Данії (Кольдинг) були висловлені аналогічні ідеї. Дещо пізніше цей закон розробляв Гельмгольц (Німеччина) Різними шляхами йшли відкривачі закону збереження та перетворення енергії до його встановлення.

Той, хто виконує тяжке фізичне навантаження, має високий виробничий обіг. А той, хто сидить цілий день на роботі, відповідно низький. Але це не є основним фактором скорочення жиру в тілі, а лише супутнім фактором.

2.Основний обмін речовин— це та кількість енергії, яка потрібна організму, щоб підтримувати організм у режимі відпочинку за середньої температури. Це дихання, биття серця, травлення, збереження температури тіла та м'язи. Найбільш важливим фактором є мускулатура. М'язові тканини сприяють хорошому обміну речовин, перешкоджаючи жировідкладення. Наші м'язи витрачають близько 40% від загальної енергії у спокої! Людина з гарною мускулатурою витрачає набагато більше калорій, ніж та, у кого її значно менше. У першого в організмі працює 24-годинна "жироспалювальна машина", відповідно, у нього більше шансів уникнути відкладень жирів, ніж у другого. Тому тренування на нарощування м'язової маси дуже важливі, оскільки м'язи відіграють велику роль у процесі обміну речовин.

Що ж відбувається з організмом під час дієт?Дефіцит калорій (надто негативний баланс). На що організм реагує негативно, намагаючись зберегти свої запаси. З цією метою він починає позбавлятися головного «грабіжника» калорій — м'язів. І в результаті виходить, що основний обмін речовин знижується, і організм у спокої витрачає набагато менше енергії, ніж до дієти. А уповільнення метаболізму означає, що для продовження спалювання жирів вам потрібно ще більше урізати кількість калорій, що споживаються. Виходить замкнене коло. При дієтах людина змушена контролювати процес жироутворення до кінця життя! До того ж міцна м'язова маса замінюється млявою масою жиру, А так як жир менш щільний, ніж м'язи, тіло здається ще більшим. Та й кому потрібна така дієта?

Висновок:Не в наших інтересах створювати великий дефіцит калорій та доводити організм до тяжкого стану. Для підтримки хорошого обміну речовин просто необхідно займатися силовими тренуваннями та споживати достатню кількість білка(З розрахунку 2гр на кілограм вашої ваги на добу) щоб не допустити втрати м'язової маси, а також уникнути різноманітних захворювань, пов'язаних з атрофією.

Команда Iron Systemtm
перейти до каталогу файлів

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ЗАКОНУ ЗБЕРЕЖЕННЯ І ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ

У зв'язку з відкриттям фундаментального фізичного явища - електромагнітної індукції, на основі якого отримали розвиток багато гілок сучасної електротехніки, доречно розглянути тут історію іншого, ще значнішого відкриття - закону збереження та перетворення енергії.

Вчені та практики всіх часів зверталися до досліджень різних енергетичних процесів та робили спроби узагальнень, у яких містилися елементи формулювання закону збереження та перетворення енергії. Якщо звернутися до історії відкриття закону, то термін «енергія» виник лише на останньому етапі історії великого закону. Крім того, необхідно врахувати, що основні досягнення фізики, хімії та біології, що дозволили зробити дійсне узагальнення, стали відомі лише з початку ХІХ ст.

Ще мислителі давнини (Демокріт, Епікур) стверджували вічність та незнищеність матерії та руху. Повсякденна практична діяльність вимагала знань законів руху, передусім єдино відомого – механічного. І тому не випадково, що закон збереження енергії починав викристалізовуватись у рамках механіки. У 1633 р. у «Трактаті про світло» ідея збереження руху була сформульована відомим французьким ученим Рене Декартом (1596–1650 рр.): «Коли одне тіло стикається з іншим, воно може повідомити йому лише стільки руху, скільки саме одночасно втрачає, а відібрати від нього лише стільки, на скільки збільшить власний рух». Ця ідея отримала розвиток у німецького вченого Готфріда Вільгельма Лейбніца (1646–1716 рр.) у його законі збереження живих сил.

Після класичних робіт Ісаака Ньютона (1643–1727 рр.) та Готфріда Лейбніца принцип збереження руху отримав чітке формулювання у працях М.В. Ломоносова, який наважився об'єднати два принципи збереження: рухи та матерії. Саме М.В. Ломоносову належить відкриття закону збереження речовини, яке потім незалежно від нього повторив французький вчений Антуан Лоран Лавуазьє (1743–1794 рр.). У 1744 р. М.В. Ломоносов написав знамениті слова «Всі зміни в натурі трапляються такого суть стану, що скільки чого в одного тіла віднімається, стільки долучиться до іншого, так якщо де вбуде кілька матерії, то помножиться в іншому місці ... цей загальний природний закон простягається і в самі правила руху, бо тіло, що рушить своєю силою інше, стільки ж він у себе втрачає, скільки повідомляє іншому, яке від нього рух отримує».

Так у середині XVIII століття М.В. Ломоносовим був чітко сформульований закон збереження маси та руху як загальний закон природи. Більше того, перша частина його виразу («всі зміни в натурі трапляються…») сформульована так широко, що якби ці слова були написані 100 років, коли стали відомі інші «зміни в натурі» – численні взаємні перетворення енергії (електричної, теплової , хімічної, механічної), то інші формулювання закону збереження та перетворення енергії та збереження матерії були б зайві. Але, на жаль, і епоха була ще та, і наукові праці М.В. Ломоносова майже 150 років залишалися невідомими.

Щоб можна було осмислити якісні перетворення енергії з однієї її форми на іншу, мали скластися необхідні і достатні науково-технічні передумови. Найважливішими серед цих передумов стали розвиток вчення про теплоту та теплотехнічна практика. Відомо, яку роль розвитку людини на зорі його історії зіграв вогонь. У процесі трудової діяльності людина навчилася добувати вогонь тертям. В отриманні вогню тертям уже виявлялося якісне перетворення механічної енергії на теплову.

Встановленню взаємозв'язків між механічною та тепловою енергією тривалий час об'єктивно перешкоджала теорія теплороду. Вважалося, що теплорідник видавлюється з речовини при його стисканні, наприклад, при стисканні газу, як сік з апельсина. Геніальні думки М.В. Ломоносова про молекулярний рух як джерело теплоти, про кінетичну природу теплоти в ширшому значенні залишалися поза увагою широкої наукової громадськості. Найбільш відчутний удар по теорії теплорода вже в епоху парових машин (1798 р.) завдали досвіду американця Бенджаміна Томпсона (1753-1814 рр..), Найбільш відомого в Європі під титулом графа Румфорда. При свердлінні гарматних стволів у м. Мюнхені Румфорд спостерігав виділення теплоти, що, втім, було відомо. Однак Румфорд зумів показати, що при цьому може виділитись практично необмежену кількість теплоти. У своїх дослідах він вживав заходів до ізоляції свердла та ствола для того, щоб виключити надходження теплороду, цієї «субстанції теплоти», звідкись ззовні.

Але ще приблизно 30 років після дослідів Румфорда теорія теплорода, що підправляється й уточнюється, продовжувала займати панівне становище в пояснення причин виникнення теплоти. Істотно важливою для розуміння факту перетворення одного виду руху (наприклад, механічного) на інший (наприклад, теплове) була думка про еквівалент, зокрема про механічний еквівалент теплоти.

Драматизм історії відкриття закону збереження та перетворення енергії полягав у тому, що практично до моменту повного визнання цього закону майже кожне попереднє відкриття, що підтверджує його справедливість, або не публікувалося, або на нього не звертали належної уваги, або просто зустрічалося в багнети офіційною наукою.

Відповідні праці М.В. Ломоносова до 1904 р. були забуті, а будучи свого часу опублікованими в Росії, не проникли в лабораторії Заходу. Румфорд, похитнувши підвалини теорії теплорода, не зміг її скинути, не знайшовши доказів еквівалентності перетворення механічного руху на теплоту. Двадцятивосьмирічний талановитий французький інженер Саді Карно (1796–1832 рр.) опублікував у 1824 р. чудову роботу «Роздум про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу», в якій виклав те, що згодом стали називати другим початком термо "Принципом Карно". Але пізніші дослідження, у яких С. ​​Карно відмовився від теорії теплорода і визначив вперше механічний еквівалент теплоти, своєчасно були опубліковані, і рукописи його стали відомі лише 1878 р.

У додатку до своєї єдиної книги С. Карно писав: «Тепло – це не що інше, як рушійна сила, або, вірніше, рух, що змінив свій вигляд. Це рух частинок тіл. Усюди, де відбувається знищення рушійної сили, виникає одночасно теплота у кількості, точно пропорційній кількості зниклої рушійної сили. Назад, завжди при зникненні теплоти виникає рушійна сила». За вимірами С. Карно механічний еквівалент теплоти становив 370 кг∙м (нагадаємо, що це значення становить 427 кг∙м, або 4186 Дж).

Теоретичні дослідження С. Карно відповідали на конкретне питання, поставлене промисловістю, що розвивається, як зробити тепловий двигун більш економічним. С. Карно виходив із переконання про неможливість здійснення вічного двигуна. Але і на його роботи сучасники не звернули тієї уваги, якої ці роботи заслуговували.

Дослідження хімічних, теплових та механічних процесів електричного струму, відкриття явища електромагнітної індукції у перші 40 років XIX ст. послужили другою важливою передумовою до відкриття закону збереження та перетворення енергії.

У 1836 р. М. Фарадей сформулював два закони електролізу, якими встановив зв'язок між кількістю електрики та хімічними властивостями речовини.

Великий англійський фізик цілком виразно наголошував на необхідності встановлення еквівалентів між різними видами енергії, або, за термінологією того часу, між різними силами. Він писав: «Ми маємо багато процесів, за яких зовнішня форма сили може зазнавати таких змін, що відбувається явне перетворення її на іншу. Так, ми можемо перетворити хімічну силу на електричний струм, а електричний струм на хімічну силу. Прекрасні досліди Т. Зеєбека та Ж. Пельте показують взаємний зв'язок теплоти та електрики, а Г. Ерстеда та мої власні показують перетворюваність електрики та магнетизму. Але в жодному разі, навіть з електричним вугром і схилом, немає виробництва сили без відповідного витрати чогось, що живить її». У своєму щоденнику в 1837 р. М. Фарадей записав: «Потрібно порівняти кількість матеріальних сил (тобто сил електрики, тяжіння, хімічної спорідненості, зчеплення тощо), де можна дати вираз для їх еквівалентів у тій чи іншій. формі».

Важливу роль у відкритті закону збереження та перетворення енергії відіграли праці Е.Х. Ленца і, зокрема, відкриття ним закону про спрямування індукованого струму та принципу оборотності електричних машин. Важливою передумовою відкриття закону збереження та перетворення енергії з'явилися успіхи біології.

Розвіювався міф про особливу «життєву силу» в організмах людини та тварин. Було встановлено прямий зв'язок між кількістю споживаної їжі та здатністю виконувати роботу.

40-ті роки ХІХ століття – час широких узагальнень. Вирішальну роль у встановленні закону збереження та перетворення енергії історія відводить німецьким вченим Роберту Майєру (1814–1878 рр.) та Герману Гельмгольцю, а також англійському фізику Джеймсу Джоулю (1818–1889 рр.).

Р. Майєр був судновим лікарем на голландському кораблі, коли в 1840 р. «раптово» йому спала на думку думка про закон збереження та перетворення енергії. Слово «раптово» взято в лапки недарма: про раптове осяяння писав згодом Р. Майєр, але чи може бути раптовим відкриття, передумови якого були добре відомі випускнику Тюбінгенського університету? Раптовим був для Р. Майєра вихідний поштовх: він звернув увагу на те, що було добре відомо лікарям, які постійно працюють у тропічних широтах. Під час стоянки корабля на Яві захворів матрос, і Р. Майєр, як було прийнято, «пустив йому кров», розкривши вену. Яке ж було його здивування, коли він побачив, що венозна кров була не такою темною, як у помірних широтах. Р. Майєр зрозумів, що при високій середній температурі повітря для підтримки життєдіяльності та необхідної температури організму потрібно менше поживних речовин та менше «згоряння» останніх. Зіставлення численних наукових фактів з галузі хімії, фізики та біології призвело його до того, що думки, згідно з висловом Р. Майєра, пронизали його, подібно до блискавки, навели на висновок про існування загального закону природи.

У 1841 р. Р. Майєр написав статтю «Про кількісне та якісне визначення сил», але редактор відомого в Європі фізичного журналу не вважав за потрібне її надрукувати. Рукопис статті було виявлено у архівах редакції та опубліковано лише 1881 р., тобто. 40 років по тому. Наступна стаття «Зауваження про сили неживої природи» була опублікована в 1842 р. У цій роботі Р. Майєр багато уваги приділяє взаємоперетворенням механічної роботи та теплоти, не знаючи про відповідне дослідження С. Карно, визначає механічний еквівалент теплоти (за його даними, він дорівнює 365 кг∙м/ккал), говорить про «неруйнівність» сил і формулює свій принцип. Тут же Р. Майєр вперше в історії науки вкладає в поняття «сила» сенс «енергія», не вимовляючи цього слова (втім, слово було вимовлено раніше; цим словом англійський фізик Томас Юнг (1773–1829 рр.) позначив величину, пропорційну масі і квадрату швидкості тіла, що рухається).

Ідеї ​​Р. Майєра мали настільки загальний та універсальний характер, що вони спочатку не були сприйняті сучасниками. Його життя перетворилося на безперервну боротьбу за утвердження свого принципу.

Класичні виміри механічного еквівалента теплоти провів у 1841–1843 роках. (Опубліковано 1843 р.) Д. Джоуль. За його даними, цей еквівалент становив 460 кг м/ккал. Д. Джоуль також встановив незалежно від Е. Ленца зв'язок між електричним струмом і теплотою, що виділяється (закон Джоуля - Ленца). Цікаво відзначити, що роботу Д. Джоуля Британське суспільство (так називається Британська академія наук) відмовилося опублікувати в повному обсязі, вимагаючи від нього нових експериментальних уточнень.

Нарешті, Г. Гельмгольц в 1847 р. у роботі «Про збереження сили» дав у найбільш загальному вигляді закон збереження, показавши, що сума потенційної та кінетичної енергії залишається постійною. Г. Гельмгольц вивів вираз електрорушійної сили індукції виходячи із закону збереження енергії. Там же вперше дано математичне трактування закону. Завершенням тривалого шляху, пройденого наукою до точного формулювання закону збереження енергії, вважатимуться доповідь У. Томсона «Про динамічну теорію тепла» (1851 р.).

У. Томсон в 1860 р. ввів у науку термін «енергія» у його сучасному сенсі. Такого ж тлумачення терміна «енергія» прийшов у 1853 р. відомий шотландський фізик Вільям Джон Макуорн Ренкін (Ранкін) (1820–1872 рр.) – один із творців технічної термодинаміки.

Виклад історії відкриття закону доречно закінчити словами видатного англійського фізика та громадського діяча Джона Дімонда Бернала (1901-1971 рр.), написаними 100 років потому: «Закон збереження енергії ... був найбільшим фізичним відкриттям середини XIX ст. Він об'єднав багато наук і був у винятковій гармонії з тенденціями часу. Енергія стала універсальною валютою фізики – золотим стандартом змін, що відбувалися у всесвіті…. Вся людська діяльність у цілому – промисловість, транспорт, освітлення і, зрештою, харчування і саме життя – розглядалася з погляду залежності від цього єдиного загального терміна – енергія» .

Попередня78910111213141516171819202122Наступна

ПОДИВИТИСЯ ЩЕ:

Закон збереження механічної енергії

Механічна енергія консервативної механічної системи зберігається у часі.

Простіше кажучи, за відсутності диссипативних сил (наприклад, сил тертя) механічна енергія не з нічого і може нікуди зникнути.

Для замкнутої системи фізичних тіл, наприклад, справедлива рівність
Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2,
де Ek1, Ep1- кінетична та потенційна енергії системи будь-якої взаємодії, Ek2, Ep2- Відповідні енергії після.

Закон збереження енергії- це інтегральний закон. Це означає, що він складається з впливу диференціальних законів і є властивістю їх сукупного впливу.

Формулювання закону збереження механічної енергії.

Повна механічна енергія, тобто. сума потенційної та кінетичної енергії тіла залишається постійною, якщо діють тільки сили пружності та тяжіння і відсутні сили тертя.

Інші нотатки з фізики

Ця ідея визрівала і починала вступати в конфлікт із поглядами, що ґрунтуються на концепції «невагомих». Цю ідею дедалі частіше висловлюють різні вчені, і потрібен був один крок, щоб ця ідея оформилася у фізичний закон. Цей крок було зроблено багатьма вченими. Цікаво відзначити, що ряд із них не були фахівцями фізиками в момент відкриття закону збереження та перетворення енергії. Основну роль у встановленні закону збереження та перетворення енергії зіграли: німецький лікар Майєр, німецький вчений Гельмгольц (який був тоді лікарем і фізіологом і лише потім став фізиком) і, нарешті, англієць Джоуль, який займався фізичними дослідженнями.

Роберт Майєр

Роберт Майєр (1814-1878) займався медициною та фізіологією. У 1840 р. він виявив, що кров, взята з вени у людей, що живуть у тропіках, має яскравіший колір, ніж у людей, які живуть у Європі. Досліджуючи це явище, Майєр вирішив, що причиною цього є відмінність у різниці температур людського тіла та навколишнього середовища. Розмірковуючи над цим питанням, він і прийшов, зрештою, до спільної ідеї про неруйнівність «сил природи» і про здатність їх перетворюватися один на одного. Свої погляди та висновки Майєр уперше виклав у роботі «Про кількісне та якісне визначення сил». Тут під словом «сила» Майєр розуміє те, що надалі стали називати енергією. Цей термін він зберігає й у своїх роботах. Сили, за Майєром,- причини, що змінюють взаємне ставлення між речовинами тел. З законів логіки і принципу причинності, за Майєром, випливає, що сили - незнищенні об'єкти, але які змінюються за своїми якостями. Наука, «що вивчає вид буття сил (фізика), повинна вважати кількість своїх об'єктів незмінними і тільки якість, що їх змінюється» 1 , - вважає Майєр. Далі він пише:

«...рух, теплота і, як ми маємо намір показати надалі, електрику, є явища, які вимірюються один одним і переходять один в одного за певними законами» 2

Висловивши ці загальні положення, Майєр, однак, під час конкретного розгляду їх зробив низку помилкових та плутаних припущень. Приміром, за міру механічного руху він приймав не кінетичну енергію, а кількість руху. Зазначену роботу Майєр передбачав надрукувати у фізичному журналі "Annalen der physik". Проте редактор журналу «Поггендорф» відмовився її опублікувати. Стаття мала загальний напівфілософський характер і не містила жодних конкретних експериментальних чи теоретичних результатів.

У тому ж 1841 р. Майєр написав нову роботу з того ж питання і, враховуючи свій невдалий досвід, послав її до хіміко-фармацевтичного журналу "Annalen der Chemie und Pharmacie", де вона і була надрукована в 1842 р. під назвою "Зауваження про силах неживої природи». У цій статті, яка також в основному носить загальний характер, Майєр вже більш докладно розвинув свої ідеї і не допускав помилкових положень, які містилися в першій статті. Новим важливим моментом було те, що, говорячи про перетворення механічної енергії на теплоту, Майєр вперше встановлює існування механічного еквівалента теплоти. Він писав:

«...Необхідно відповісти на запитання, наскільки великою є відповідна певній кількості сили падіння чи руху кількість тепла. Наприклад, ми повинні були визначити, наскільки високо повинен бути піднятий певний вантаж над поверхнею землі, щоб його сила падіння була еквівалентна нагріванню рівної йому за вагою кількості води з 0 до 1°» 3 .

Майєр повідомляє далі, що він зробив відповідний розрахунок, використовуючи відомі вже тоді значення теплоємності повітря при постійному тиску c p і теплоємності при постійному об'ємі c v і знайшов механічний еквівалент теплоти, який, за його розрахунками, дорівнював 365 кГм/ккал.

У 1845 р. Майєр опублікував книгу «Органічне рух у зв'язку з обміном речовин», де докладніше виклав вчення про збереження і перетворення енергії («сили», з його термінології). Докладніше основні положення Майєра полягають у наступному. У природі, вважав він, є два роду причин: одним властива властивість вагомості та непроникності – це матерія, інша група причин – це сили. Матерія та сили неруйнівні. Це випливає з принципу, що причина завжди дорівнює дії, яка, своєю чергою, є причиною для подальшої дії. Одночасно причини здатні набувати різних форм. «Причини є (кількісно) неруйнівні та (якісно) здатні до перетворень об'єкти». У зв'язку з цим і сили – неруйнівні, здатні до перетворень об'єкти. У природі є кілька якісно різних «сил». По-перше, рух: "Рух є сила". Ця сила вимірюється за величиною живої сили. При зіткненні пружних тіл загальна сума «живих сил» залишається постійною. Іншою силою є "сила падіння". Під цією силою Майєр має на увазі потенційну енергію піднятого тіла. Вона вимірюється добутком ваги на висоту. При падінні «сила падіння» та «сила руху» взаємно перетворюються одна на одну. Загальна їх сума залишається постійної. Тепло також є "силою". Вона може бути перетворена на механічний рух, і навпаки. Перетворення механічного ефекту (загальна назва, за Майєром, для кінетичної та потенційної енергії) на теплоту і навпаки відбувається завжди у строго еквівалентних кількостях. У роботі «Органічне рух та обмін речовин» Майєр наводить більш точне значення механічного еквівалента теплоти (ніж у статті 1842 р.), знайдене знов-таки з відмінності між теплоємністю повітря при постійному обсязі та постійному тиску. За його розрахунками, механічний еквівалент дорівнює 425 кГм/ккал.

Формою прояви фізичної сили також є електрика. У разі тертя механічна енергія може перетворюватися на електрику. Майєр наводить приклад з електрофором, справедливо зазначаючи, що при видаленні верхньої пластинки доводиться витрачати механічну роботу проти електричної сили, крім роботи проти сили тяжіння.

Крім перелічених сил, існує ще «хімічна сила». Ця сила, за Майєром, має хімічні речовини, здатні з'єднуватися, будучи роз'єднаними: хімічно роздільне існування, або хімічна різниця речовин, є «сила». Майєр розглядає приклади взаємоперетворюваності «сил»: механічного руху на теплоту та електрику, електрики – на теплоту та «механічний ефект», теплоти – на електрику тощо. Майер розумів, що його теорія не тільки є новою, але й суперечить існуючим поглядам . Тому він спеціально висловлюється проти уявлення про невагомих. Він пише:

«Висловимо велику істину: немає ніяких нематеріальних матерій. Ми чудово усвідомлюємо, що ведемо боротьбу з укоренившимися і канонізованими найбільшими авторитетами гіпотезами, що хочемо разом із невагомими рідинами вигнати з вчення про природу усе, що залишилося від богів Греції; однак ми знаємо також, що природа в її простій істині є більшою і прекраснішою, ніж будь-яке створення людських рук, ніж усі ілюзії створеного духу» 4 .

Перші роботи Майєра не привернули до себе уваги фізиків. Надруковані вони були не у фізичних журналах, значною мірою носили загальний характер, не кажучи вже про те, що вони суперечили панівній теорії теплороду і взагалі з уявленнями про невагомих.

У 1843 р. незалежно від Майєра до відкриття еквівалентності теплоти та роботи, а потім і до закону збереження та перетворення енергії прийшов англієць Джемс Прескотт Джоуль (1818-1889). Починаючи з 1841 р. Джоуль займався дослідженням виділення теплоти електричним струмом. У цей час, зокрема, він відкрив закон, незалежно від нього, встановлений також Ленцем (закон Джоуля-Ленца). Досліджуючи потім загальну кількість теплоти, що виділяється у всьому ланцюгу, включаючи і гальванічний елемент, за певний час, він визначив, що ця кількість теплоти дорівнює теплоті хімічних реакцій, що протікають в елементі за той же час. У нього, Джоуля, складається думка, що джерелом теплоти, виділеної в ланцюгу електричного струму, є хімічні процеси, що проходять в гальванічному елементі, а електричний струм як би розносить цю теплоту по всьому ланцюгу. Він писав, що «електрика може розглядатися як важливий агент, який переносить, упорядковує та змінює хімічне тепло» 5 . Але джерелом електричного струму може бути також «Електромагнітна машина». Як у цьому випадку слід розглядати теплоту, що виділяється електричним струмом? Джоуль задається також питанням: що буде, якщо в ланцюг з гальванічним елементом включити магнітоелектричну машину (тобто електродвигун), як це вплине на кількість теплоти, що виділяється струмом у ланцюзі?

Джемс Прескотт Джоуль

Продовжуючи дослідження в цьому напрямку, Джоуль і прийшов до нових важливих результатів, які виклав у роботі. «Тепловий ефект магнітоелектрики та механічна цінність теплоти», опублікованої в 1843 р. Перш за все Джоуль досліджував питання про кількість теплоти, що виділяється індукційним струмом. Для цього він помістив дротяну котушку із залізним осердям у трубку, яка була наповнена водою, і обертав її в магнітному полі, утвореному полюсами магніту (рис. 63). Вимірюючи величину індукційного струму гальванометром, з'єднаним з кінцями дротяної котушки за допомогою ртутного комутатора, і одночасно визначаючи кількість теплоти, виділеної струмом у трубці, Джоуль дійшов висновку, що індукційний струм, як і гальванічний, виділяє теплоту, кількість якої пропорційна квадрату сили струму опору.

Мал. 63. Установка Джоуля (магніт на кресленні не вказано)

Мал. 64. Установка Джоуля визначення механічного еквівалента теплоти

Потім Джоуль увімкнув дротяну котушку, поміщену в трубку з водою, в гальванічну ланцюг. Обертаючи її в протилежних напрямках, він вимірював силу струму в ланцюгу і виділену при цьому теплоту за певний проміжок часу, так що котушка грала один раз роль електродвигуна, а інший раз - генератора електричного струму. Порівнюючи потім кількість виділеної теплоти з теплотою хімічних реакцій, що протікають у гальванічному елементі, Джоуль дійшов висновку, що «теплота, обумовлена ​​хімічною дією, схильна до збільшення або зменшення» і що «ми маємо, отже, у магнітоелектриці агента, здатного звичайним механічним засобом чи збуджувати теплоту» 6 .

Нарешті, Джоуль змушував обертатися цю трубку в магнітному полі вже під дією вантажів, що падають Вимірюючи кількість теплоти, що виділилося у воді, і здійснену при опусканні вантажів роботу, він підрахував механічний еквівалент теплоти, який виявився рівним 460 кГм/ккал.

У тому ж році Джоуль повідомив про досвід, у якому механічна робота безпосередньо перетворювалася на теплоту. Він виміряв теплоту, що виділяється під час продавлювання води через вузькі трубки* При цьому він отримав, що механічний еквівалент теплоти дорівнює 423 кГм/ккал.

Надалі Джоуль знову повертався до експериментального визначення механічного еквівалента теплоти. У 1849 р. він зробив відомий досвід з вимірювання механічного еквівалента теплоти. За допомогою вантажів, що падають, він змушував вісь з лопатями обертатися всередині калориметра, наповненого рідиною (рис. 64). Вимірюючи виконану вантажами роботу та виділену в калориметрі теплоту, Джоуль отримав механічний еквівалент теплоти, що дорівнює 424 кГм/ккал.

Відкриття механічного еквівалента теплоти призвело Джоуля до відкриття закону збереження та перетворення енергії. У лекції, прочитаній їм у 1847 р. у Манчестері, він говорив:

«Ви бачите, отже, що жива сила може бути перетворена на теплоту і що теплота може перетворюватися на живу силу, або на тяжіння на відстані. Усі троє, отже, - саме, теплота, жива сила і тяжіння з відривом (до яких можу зарахувати світло...) - взаємно перетворювані друг на друга. Причому за цих перетворень нічого не втрачається» 7 .

Герман Гельмгольц (1821-1894) -лікар і фізіолог за освітою, відразу після закінчення Медико-хірургічного інституту займався дослідженнями в галузі фізіології, зокрема, пов'язаними з питанням перетворення різних форм енергії в живому організмі. Ці дослідження призвели до питання: «які відносини мають існувати між різними силами природи, якщо прийняти, що perpetuum mobile взагалі неможливе?» 8 . Працюючи над цією проблемою, Гельмгольц також прийшов до відкриття закону збереження та перетворення енергії. Він написав роботу, яку Поггендорф також відмовився надрукувати у своєму журналі; вона була опублікована окремою книгою у 1847 р.

Гельмгольц виходить із добре всім відомого закону збереження «живих сил», який, безумовно, дійсний для центральних сил. Він пише:

«Коли тіла природи діють один на одного привабливими і відштовхувальними силами, які не залежать від часу і швидкості, то сума їх живих сил і сил напруги залишається постійною, тому максимум отриманої роботи буде, отже, величиною певної і кінцевої» 9 . (Тут під "силою напруги" (Spannkraft) Гельмгольц розумів потенційну енергію.)

Однак закон збереження живих сил діє лише в механіці, та й то лише для випадку консервативних сил (Гельмгольц обмежував спочатку його дію центральними силами).

Герман Гельмгольц

Для того щоб перейти тепер до загального закону збереження «сил» (так Гельмгольц, подібно до Майєра, називає енергію), він вважає, що всі явища природи в кінцевому підсумку зводяться до руху та розташування матеріальних тіл, між якими діють центральні сили.

Поки що в подібних міркуваннях Гельмгольця, по суті, нового нічого немає. Так багато хто думав і до нього, і в його час. І якби він обмежився цими міркуваннями, то його заслуга у відкритті закону збереження та перетворення енергії звелася б нанівець. Головне, що він досліджував, як, на його думку, закон збереження «живих сил» проявляється у всіх фізичних явищах: у механіці, теплофізиці, електродинаміці тощо. Він фактично вивчив питання про перетворення різних видів енергії у фізичних процесах, хоча розглядав ці форми як вияв «живої сили» чи «сили напруги».

Гельмгольц досліджував спочатку процеси перетворення енергії у межах механіки, т. е. процеси перетворення кінетичної енергії на потенційну і назад. Потім він розглядає процеси перетворення механічного руху на теплоту, посилаючись при цьому на відкриття Джоулем механічного еквівалента теплоти. Після цього Гельмгольц переходить до електричних явищ. Він визначив, що енергія зарядженого конденсатора дорівнює 1/2 q 2 /c де q - заряд, з - ємність конденсатора. При розряді ця енергія перетворюється на теплоту, яка виділяється у провіднику, що замикає пластинки конденсатора.

Гельмгольц також досліджує енергетичні процеси у гальванічному ланцюгу; розглядає роботу електричного струму і теплоту, що виділяється в ланцюзі (використовуючи закон Джоуля - Ленца), а також випадок, коли в ланцюг включений термоелемент.

Розглядаючи електромагнітні явища, використовуючи у своїй закон збереження енергії, Гельмгольц отримав вираз закону електромагнітної індукції. Він розглядав замкнутий контур зі струмом і магніт, що рухається під дією цього струму. За мінімальний проміжок часу dt у системі відбуваються такі зміни. По-перше, батарея, що підтримує в ланцюгу струм I, виконує роботу, рівну εldt, де ε-електрорушійна сила батареї. По-друге, в ланцюзі за цей проміжок часу виділяється кількість теплоти, що дорівнює I 2 Rdtде R - опір ланцюга. І, нарешті, змінюється взаємне розташування магніту і контуру зі струмом, що призводить, як вважав Гельмгольц, зміну «живої сили» магніту. Зміна цієї «живої сили» має бути рівною IdV, де V – потенційна функція, введена Нейманом. Відповідно до закону збереження «сили», має виконуватись рівність

Звідси випливає, що в ланцюзі збуджується електрорушійна сила індукції, що дорівнює -dV/dt. Якщо врахувати, що величина V дорівнює потоку магнітної індукції через контур, то, як бачимо, отримано закон електромагнітної індукції 10 .

Наприкінці роботи Гельмгольц зупиняється на питанні про застосування принципу збереження «сили» до органічних процесів і вирішує його позитивно. На закінчення він пише:

«Я думаю, що наведені дані доводять, що висловлений закон не суперечить жодному з відомих у природознавстві фактів і вражаючим чином підтверджується великою кількістю їх... повне підтвердження (закону - Б. С.)... має розглядатися як одна з головних завдань найближчого майбутнього фізики» 11

Робота Гельмгольця була зустрінута більш ніж прохолодно. Сам Гельмгольц у своїх спогадах писав:

«Я був... до певної міри здивований тим опором, який я зустрів серед фахівців; мені було відмовлено у прийомі роботи в Poggendorf's Annalen і серед членів берлінської академії був лише математик К. Г. І. Якобі, який прийняв мій бік» 12

Однак, незважаючи на холодний прийом, який зустріли спочатку роботи Майєра, Гельмгольця та Джоуля, їхня спільна ідея отримувала дедалі більшого поширення та застосування у практиці фізичних досліджень. Думка про те, що відкритий новий дуже важливий фізичний закон і навіть більше - загальний природничо закон, поступово опановує умами вчених. У розвитку основних положень Майєра, Джоуля та Гельмгольця важливу роль відіграли роботи англійських учених В. Томсона, У. Дж. Ранкіна та німецького фізика Р. Клаузіуса.

Насамперед відкриття закону збереження та перетворення енергії відіграло вирішальну роль у подальших дослідженнях процесів перетворення теплоти на роботу, які призвели до створення основ термодинаміки. Закон збереження та перетворення енергії отримує застосування і в інших галузях фізики, наприклад, у дослідженнях з електродинаміки.

В. Томсон вже у 1848 р., спираючись на роботи Джоуля, застосовує закон збереження та перетворення енергії до явища електромагнітної індукції. Він показав (незалежно від Гельмгольца), що «загальна робота, витрачена на твір руху, що викликає електромагнітну індукцію, має бути еквівалентною механічному ефекту, втраченому струмом» 13 .

Пізніше Томсон, використовуючи закон збереження та перетворення енергії, знову досліджував явище електромагнітної індукції, а потім і явище самоіндукції, встановивши при цьому, що енергія провідника зі струмом може бути виражена формулою Li 2 12 2 де L - величина, яка залежить тільки від геометрії провідника (Названа пізніше коефіцієнтом самоіндукції). Досліджуючи питання енергії магнітів і струмів, Томсон в 1853 р. висловив цю енергію як інтеграла, взятого за обсягом.

У 1852 р. Клаузіус застосував закон збереження та перетворення енергії до електричних явищ. У роботі «Про механічний еквівалент електричного розряду і при нагріванні провідників» Клаузіус писав:

«...подібно до того як за допомогою теплоти може бути зроблена механічна робота, електричний струм здатний викликати частково механічну дію, частково теплоту» 14 .

У тому ж році Клаузіус застосував закон збереження енергії до енергетичних процесів у ланцюзі постійного струму, а наступного року – до термоелектричних явищ.

Крім Томсона і Клаузіуса над розвитком та застосуванням закону збереження та перетворення енергії працював Ранкін. Він першим почав широко використовувати термін «енергія» і спробував дати поняттю енергії загальне визначення. Під енергією Ранкін розуміє здатність виконувати роботу. Визначаючи поняття енергії, він писав у 1855 р.: «Термін «енергія» передбачає будь-який стан субстанції, який полягає у здатності виконувати роботу»; «кількість енергії вимірюється кількістю роботи» 15 , що вона здатна произвести. Ще раніше, 1853 р., Ранкін розділив енергію на «Актуальну» та «Потенційну». Він писав:

«Актуальна, або Відчутна (sensible), Енергія - це вимірний, переносимий і перетворений стан, що спонукає субстанцію змінювати свій стан... Коли таке змій відбувається, то актуальна енергія зникає і замінюється Потенційною, або Прихованою (Latent), Енергією, що вимірюється величиною зміни стану, опором проти якого ця зміна відбувається» 16 .

До «Актуальної» енергії Ранкін відносить «живу силу», теплоту, променисту теплоту, світло, хімічну дію та електричний струм, які є її різними формами; до потенційної енергії – «механічну силу гравітації», пружність, хімічну спорідненість, енергію статичної електрики та магнетизму.

Томсон, який спочатку користувався введеним Ранкіном терміном «актуальна енергія», згодом замінив на «кінетичну енергію».

Вже в 50-х роках закон збереження та перетворення енергії було визнано як загальний закон природи, що охоплює всі фізичні явища. Тепер починаються суперечки про пріоритет його відкриття. Все почалося з невеликої полеміки між Майєром та Джоулем на сторінках французького журналу «Comptes rendus» ще в 1847-1849 роках. пріоритет у відкритті механічного еквівалента теплоти. У 1849 р. досить поширена в Німеччині газета спеціально виступила проти Майєра, охарактеризувавши його як дилетанта, і застерегла публіку від «уявного відкриття пана доктора Майєра», вказуючи, що нібито неспроможність його міркувань вже доведена авторитетними науковими колами. У 1851 р. Майєр у статті «Про механічний еквівалент теплоти», викладаючи історію відкриття, писав:

«Нова теорія почала незабаром привертати увагу вчених. Але оскільки її почали розглядати і в нас у Німеччині та за кордоном як виключно іноземне відкриття, то це спонукало мене виставити свої права на пріоритет» 17 .

У 1851 р. Гельмгольц вперше згадує роботи Майєра, а 1852 р. підтверджує пріоритет останнього у відкритті закону збереження та перетворення енергії.

"Твердження про неруйнівність роботи механічних сил і еквівалентності різних природних сил з певною величиною механічної роботи, - писав Гельмгольц, - вперше висловив Майєр" 18 .

«Темою для своєї доповіді він обрав твори Майєра і у звичайній для нього цікавій формі виклав усі основні висновки робіт Майєра. Коли публіка, яка дуже сильно зацікавилася цим питанням, природно, побажала дізнатися, кому належать всі ці дослідження, Тіндаль назвав ім'я людини, яка, живучи в маленькому німецькому містечку, без жодної наукової підтримки та заохочення з дивовижною енергією та наполегливістю працювала над розвитком своїх геніальних. думок» 20 .

Проти визнання пріоритету Майєра різко виступив англійський фізик Тет у журналі Good Words. Заперечуючи Тіндалю, він відмовився визнати будь-які заслуги Майєра. Між Тетом та Тіндалем розгорнулася полеміка. На неї відгукнулися Гельмгольц та Клаузіус. Якщо Гельмгольц дуже обережно захищав Майєра, то Клаузіус різко заперечував Тету з приводу однієї з його статей. Він писав, що ця стаття може лише зашкодити

«Вашої власної настільки високої наукової репутації. Будь-який читач з першого погляду побачить, що це не безстороннє ірторичне викладення питання, чого слід було б очікувати від вченого вашого рангу, а пройнята партійністю стаття, написана тільки для прославлення деяких небагатьох осіб» 21 .

Надалі Тет продовжував виступати проти пріоритету Майєра. У 1876 р. він писав:

«...вже настав час поставити Майєра... на відповідне йому місце... Створений та експериментально доведений був закон збереження енергії в його загальному вигляді безперечно Кольдінгом у Копенгагені та Джоулем у Манчестері» 22 .

У Німеччині, хоча на бік Майєра став Клаузіус і певною мірою Гельмгольц, Майєр продовжував піддаватися нападкам, які іноді набували форми пліток. У 1858 р. поширюються чутки про його уявну смерть. Поггендорф у своєму великому біографічному словнику (1863) на закінчення більш ніж скромної статті про Майєра писав: «...здається, близько 1858 помер у будинку божевільних». Щоправда, наприкінці книги він помістив додаткову «довідку» про Майєра: «Не помер... але ще живий» 23 .

Нарешті, на захист пріоритету Майєра виступив Є. Дюрінг 24 , який одночасно принижував роль Джоуля та Гельмгольця у відкритті закону збереження та перетворення енергії, що також не сприяло зміцненню пріоритету Майєра.

Боротьба навколо пріоритету Майєра була пов'язана з боротьбою навколо розуміння суті самого закону збереження та перетворення енергії. Майєр підходив до розуміння цього закону з ширших філософських позицій, ніж багато хто з його сучасників і особливо вчені, подібні до Тет, що дотримувалися вузько емпіричних уявлень про пізнання. Майєр був безперечно революціонером у науці, стояв у низці питань на стихійно-діалектичних позиціях, незрозумілих для багатьох його сучасників, які не могли відійти від метафізичного світогляду.

Вперше правильно оцінив заслуги Майєра Енгельса. Віддаючи данину Гельмгольцу, Енгельс проте вказував:

«...Вже в 1842 р. Майєр стверджував «незнищівність сили», а в 1845 р. він, виходячи зі своєї нової точки зору, зумів повідомити набагато геніальніші речі про «відносини між різними процесами природи», ніж Гельмгольц в 1847 р. .» 25 .

В іншому місці Енгельс зазначив:

«...кількісна сталість руху було висловлено вже Декартом і майже у тих самих висловлюваннях, як і тепер (Клаузіусом, Робертом Майером?). Зате перетворення форми руху відкрито тільки в 1842 р., і це, а й закон кількісної сталості, є нове » 26 .

Саме Майєр вперше наголошував на існування якісних перетворень різних форм енергії одна в одну, а не просто стверджував її кількісну сталість. Це й було найбільш важливим, з погляду загального світогляду, у встановленому законі збереження та перетворення енергії, і саме ця обставина уникала уваги багатьох вчених того часу, які намагалися просто підвести новий закон під загальний механічний світогляд, тлумачачи його, подібно до Гельмгольця, як вираз закону збереження живих сил.

Встановлення закону збереження та перетворення енергії було революційним кроком у розвитку фізичної науки та науки взагалі. Цей закон пов'язував докупи всі фізичні явища, ліквідуючи метафізичні перегородки між окремими областями фізики, закріплені вченням про «невагомих», якому тепер настав кінець. «Невагомі» матерії остаточно вигнали з фізики. Енгельс писав:

«...фізичні сили - ці, так би мовити, незмінні «види» фізики - перетворилися по-різному диференційовані і перехідні за певними законами одна в одну форми руху матерії. З науки було усунуто випадковість наявності такої і такої кількості фізичних сил, бо були доведені їх взаємний зв'язок і переходи один в одного» 27 .

Енгельс надавав великого значення встановленню закону збереження та перетворення енергії для правильного діалектико-матеріалістичного погляду на світ, ставлячи його в один ряд із відкриттям клітини та теорією Дарвіна:

«Завдяки цим трьом великим відкриттям та іншим величезним успіхам природознавства, - писав він. - ми можемо тепер загалом і загалом виявити не тільки той зв'язок, який існує між процесами природи в окремих її областях, але також і той, який є між цими окремими областями. Таким чином, за допомогою фактів, доставлених самим емпіричним природознавством, можна в досить систематичній формі дати загальну картину приводи як зв'язного цілого» 28 .

1 Майєр Р. Закон збереження та перетворення енергії. М. - Л., ГТТІ, 1933, с. 62.
2 Майєр Р. Закон збереження та перетворення енергії, с. 68-69.
3 Там же, с. 85-86.
4 Майєр Р. Закон збереження та перетворення енергії, с. 130.
5 Goule G. Fhe scientific papers. Vol. 1, London, 1884, p. 120.
6 Joule J. The scientific papers Vol. 1, p. 146.
7 Там же, p. 270-271.
8 Гельмгольц Р. Про збереження сили. М., ГТТІ, 1922, с. 69-70.
9 Не1mhо11z Н. Wissenschaftiche Abhandlungen. Ст I. Leipzig, 1882. SS. 26-27.
10 Цей висновок Гельмгольця не можна вважати коректним. На це звернув увагу Максвелл (див.: Максвелл Дж. К. Вибрані твори з теорії електромагнітного поля. М., Гостехіздат, 1952, с. 403-405).
11 Гельмгольц Р. Про збереження сили. М. - Л., ГТТІ, 1934, с, 115.
12 Там же, с. 124.
13 Thomson W. Mathematical and Physical papers. Vol. 1, Cambridge, 1882,. p. 91.
14 Clausius R. Ann. Phys. B. 86, 1852, с. 337.
15 Rankin W. Miscellaneous scientific papers. London, 1881, p. 217.
16 Там же.
17 Майєр P. Закон збереження та перетворення енергії, с. 279.
18 Не1mhо11z Н. Fortschritte der Physik, V. Gahrgang, 1853, s. 241.
19 Клаузіус до 1862 р. був невисокої мієні про Майєра. Лист Тіндаля, в якому він просив повідомити йому про твори Манера, змусив Клаузіуса докладно посмакувати з роботами Майєра, внаслідок чого він різко змінив свою думку. Про це він повідомив Тіндалю, надсилаючи йому роботи, написані Майєром.
20 Розенбергер Ф. Історія фізики, ч. III, вип. ІІ. М.-JI., ОНТІ, 1936, с. 55-56.
21 Там же, с. 57.
22 Там же, с. 54.
23 Там же.
24 During Е. Robert Mayer, der Galilei des 19. Jahrhunderts, Chemnitz,. 1880.
25 Маркс К., Енгельс Ф. Соч. Вид. 2-ге. Т. 20, с. 400.
26 Там же, с. 5
27 Маркс К., Енгельс Ф. Соч. Вид. 2-ге, Т. 20, с. 353.
28 Маркс К., Енгельс Ф. Соч. Вид. 2-ге. Т 21, с. 304.

Вступ

1. Фундаментальний зміст закону збереження енергії

2. Історія відкриття закону збереження та перетворення енергії

Висновок

Список літератури

Вступ

Актуальність нашої роботи полягає у розгляді особливостей закону збереження енергії, що є наслідком однорідності часу і в цьому сенсі є універсальним, тобто властивим системам різної фізичної природи.

Мета роботи полягає у вивченні фундаментальних засад закону збереження енергії.

Досягнення мети передбачає вирішення низки завдань:

1) розглянути фундаментальний зміст закону збереження енергії;

2) вивчити історію відкриття закону збереження та перетворення енергії.

Різними шляхами йшли відкривачі закону збереження та перетворення енергії для його встановлення. Майєр, почавши з медичного спостереження, одразу розглядав його як глибокий всеосяжний закон і розкривав ланцюг енергетичних перетворень від космосу до живого організму. Джоуль завзято і наполегливо вимірював кількісне співвідношення теплоти та механічної роботи. Гельмгольц пов'язав закон із дослідженнями великих механіків XVIII ст.

1. Фундаментальний зміст закону збереження енергії

Закон збереження енергії - «фундаментальний закон природи, встановлений емпірично і полягає в тому, що енергія ізольованої (замкнутої) фізичної системи зберігається з часом». Іншими словами, енергія не може виникнути з нічого і не може зникнути в нікуди, вона може лише переходити з однієї форми до іншої.

З фундаментальної точки зору, згідно з теоремою Нетер, закон збереження енергії є наслідком однорідності часу і в цьому сенсі є універсальним, тобто властивим системам різної фізичної природи. Інакше кажучи, кожної конкретної замкнутої системи, незалежно від її природи можна визначити якусь величину, звану енергією, яка зберігатиметься у часі. При цьому виконання цього закону збереження в кожній конкретно взятій системі обґрунтовується підпорядкуванням цієї системи своїм специфічним законам динаміки, взагалі кажучи різним для різних систем.

Однак у різних розділах фізики з історичних причин закон збереження енергії формулюється по-різному, у зв'язку з чим йдеться про збереження різних видів енергії. Наприклад, у термодинаміці закон збереження енергії виражається у вигляді першого початку термодинаміки.

Оскільки закон збереження енергії відноситься не до конкретних величин і явищ, а відображає загальну, застосовну скрізь і завжди закономірність, то правильнішим є його ім'я не законом, а принципом збереження енергії.

З математичної точки зору закон збереження енергії еквівалентний твердженню, що система диференціальних рівнянь, що описує динаміку даної фізичної системи, має перший інтеграл руху, пов'язаний із симетричністю рівнянь щодо зсуву в часі.

Відповідно до теореми Нетер кожному закону збереження ставиться у відповідність певна симетрія рівнянь, що описують систему. Зокрема, закон збереження енергії еквівалентний однорідності часу, тобто незалежності всіх законів, що описують систему, від часу, коли система розглядається.

Висновок цього твердження може бути зроблено, наприклад, на основі лагранжевого формалізму. Якщо час однорідно, то функція Лагранжа, яка описує систему, залежить від часу, тому повна її похідна за часом має вигляд:

Тут – функція Лагранжа, – узагальнені координати та їх перші та другі похідні за часом відповідно. Скориставшись рівняннями Лагранжа, замінимо похідні на вираз:

Перепишемо останній вираз у вигляді

Сума, що стоїть у дужках, за визначенням називається енергією системи і в силу рівності нулю повної похідної від неї за часом є інтегралом руху (тобто зберігається).

2. Історія відкриття закону збереження та перетворення енергії

закон збереження перетворення енергія

У 1841 р. російський вчений Ленц та англієць Джоуль майже одночасно і незалежно один від одного експериментально довели, що теплота може бути створена за рахунок механічної роботи. Джоуль визначив механічний еквівалент тепла. Ці та інші дослідження підготували відкриття закону збереження та перетворення енергії. У 1842-1845 р.р. німецький вчений Р. Майєр сформулював цей закон на основі узагальнення даних природознавства про механічний рух, електрику, магнетизм, хімію і навіть фізіологію людини. Одночасно в Англії (Гров) та Данії (Кольдинг) були висловлені аналогічні ідеї. Дещо пізніше цей закон розробляв Гельмгольц (Німеччина).

Погляди на теплоту як форму руху найдрібніших «нечутливих» частинок матерії висловлювалися ще XVII в. Ф. Бекон, Декарт, Ньютон, Гук та багато інших приходили до думки, що теплота пов'язана з рухом частинок речовини. Але з усією повнотою та визначеністю цю ідею розробляв та відстоював Ломоносов. Однак він був на самоті, його сучасники переходили на бік концепції теплорода, і, як ми бачили, ця концепція розділялася багатьма визначними вченими XIX століття.

Успіхи експериментальної теплофізики, насамперед калориметрії, здавалося, свідчили на користь теплорода. Але той же в XIX ст. приніс наочні докази зв'язку теплоти із механічним рухом. Звичайно, факт виділення тепла при терті був відомий з давніх-давен. Прибічники теплоти вбачали у цьому явищі щось аналогічне електризації тіл тертям – тертя сприяє вичавленню теплорода з тіла. Однак у 1798 р. Бенжамен Томпсон (1753-1814), який став з 1790 р. графом Румфордом, зробив у мюнхенських військових майстернях важливе спостереження: при висвердлюванні каналу в гарматному стволі виділяється велика кількість тепла. Щоб дослідити це явище, Румфорд проробив досвід зі свердління каналу в циліндрі, виточеному з гарматного металу. У висвердлений канал поміщали тупе свердло, щільно притиснуте до стінок каналу і приводилося в обертання. Термометр, вставлений у циліндр, показав, що за 30 хвилин операції температура піднялася на 70 градусів Фаренгейта. Румфорд повторив досвід, зануривши циліндр і свердло до посудини з водою. У процесі свердління вода нагрівалася і за 2,5 години закипала. Цей досвід Румфорд вважав доказом, що теплота є формою руху.

Досліди щодо отримання теплоти тертям повторив Деві. Він плавив лід тертям двох шматків одне одного. Деві дійшов висновку, що слід залишити гіпотезу про теплороді і розглядати теплоту як коливальний рух частинок матерії.

За Майєром, всі рухи та зміни у світі породжуються «різностями», що викликають сили, які прагнуть знищити ці різниці. Але рух не припиняється, тому що сили не знищуються і відновлюють різницю. «Таким чином, принцип, згідно з яким якраз ці сили кількісно незмінні, подібно до речовин, логічно забезпечує нам продовження існування різниць, а отже, і матеріального світу» . Це формулювання, запропоноване Майєром, легко вразливе для критики. Не визначено точно поняття «різниця», неясно, що розуміється під терміном «сила». Це передчуття закону, а не ще закон. Але з подальшого викладу зрозуміло, що під силою він розуміє причину руху, що вимірюється добутком маси на швидкість. «Рух, теплота та електрика є явищами, які можуть бути зведені до однієї сили, які вимірюються один одним і переходять один в одного за певними законами» . Це цілком певна і ясна формулювання закону збереження та перетворення сили, тобто. енергії.

Задавшись метою застосувати ідеї механіки у фізіології, Майєр починає з з'ясування поняття сили. І тут він знову повторює думку про неможливість виникнення руху з нічого, сила - причина руху, а причина руху є неруйнівним об'єктом. Це формулювання разюче нагадує формулювання «загального закону» Ломоносова, поширюваного ним «і самі правила руху». Зауважимо, що висування Ломоносовим і Майєром загального закону збереження як «верховний закон природи» прийнято сучасною наукою, яка формулює численні конкретні закони збереження як основну опору наукового дослідження. Майєр докладно підраховує механічний еквівалент теплоти з різниці теплоємностей газу (цей підрахунок нерідко відтворюється в шкільних підручниках фізики) і знаходить його, спираючись на вимірювання Делароша і Берара, а також Дюлонга, що визначили відношення теплоємностей для повітря рівним 367 кгс/м.

Майєр закінчив розвиток своїх ідей до 1848, коли в брошурі «Динаміка неба в популярному викладі» він поставив і спробував вирішити найважливішу проблему про джерело сонячної енергії. Майєр зрозумів, що хімічна енергія є недостатньою для поповнення величезних витрат енергії Сонця. Але з інших джерел енергії у його час була відома лише механічна енергія. І Майєр зробив висновок, що теплота Сонця заповнюється бомбардуванням його метеоритами, що падають на нього з усіх боків безперервно з навколишнього простору. Він визнає, що відкриття зроблено їм випадково (спостереження на Яві), але «воно все ж таки моя власність, і я не вагаюся захищати своє право пріоритету». Майєр вказує далі, що закон збереження енергії, а також чисельний вираз його, механічний еквівалент теплоти, були майже одночасно опубліковані в Німеччині та Англії. Він вказує на дослідження Джоуля і визнає, що Джоуль «відкрив безумовно самостійно» закон збереження та перетворення енергії і що «йому належать численні важливі заслуги у справі подальшого обґрунтування та розвитку цього закону». Але Майєр не схильний поступатися своїм правом на пріоритет і вказує, що з самих його робіт видно, що він не женеться за ефектом. Це, проте, значить відмовитися від прав на власність.

Задовго до Джоуля дослідження було розпочато петербурзьким академіком Е.Х. Ленцем, який опублікував свою роботу 1843 р. під назвою «Про закони виділення тепла електричним струмом». Ленц згадує про роботу Джоуля, публікація якого випередила публікацію Ленца, але вважає, що, хоча його результати в основному збігаються з результатами Джоуля, вони вільні від тих обґрунтованих заперечень, які викликають роботи Джоуля.

Ленц ретельно продумав і розробив методику експерименту, випробував і перевірив тангенс-гальванометр, який служив у нього вимірювачем струму, визначив одиницю опору, що застосовується ним (нагадаємо, що закон Ома до цього часу ще не увійшов у загальне вживання), а також одиниці струму та електрорушійної сили , висловивши останню через одиниці струму та опору. Ленц ретельно вивчив поведінку опорів, зокрема досліджував питання про існування так званого «перехідного опору» при переході з твердого тіла в рідину. Це вводилося деякими фізиками в епоху, коли закон Ома ще був загальновизнаним. Потім він перейшов до основного експерименту, результати якого сформулював у двох наступних положеннях: нагрівання дроту гальванічним струмом пропорційно опору дроту; нагрівання дроту гальванічним струмом пропорційно квадрату службовця для нагрівання струму. Точність і докладність дослідів Ленца забезпечили визнання закону, що у науку під назвою закону Джоуля - Ленца.

Джоуль зробив свої експерименти щодо виділення тепла електричним струмом вихідним пунктом подальших досліджень з'ясування зв'язку між теплотою та роботою. Вже на перших дослідах він став здогадуватися, що теплота, що виділяється у дроті, що з'єднує полюси гальванічної батареї, породжується хімічними перетвореннями в батареї, тобто став прозрівати енергетичний зміст закону. Щоб з'ясувати далі питання про походження «джоулева тепла» (як тепер називається теплота, що виділяється електричним струмом), він почав досліджувати теплоту, що виділяється індукованим струмом. У роботі «Про тепловий ефект магнітоелектрики та механічний ефект теплоти», доповіданій на зборах Британської Асоціації в серпні 1843 р., Джоуль сформулював висновок, що теплоту можна створювати за допомогою механічної роботи, використовуючи магнітоелектрику (електромагнітну індукцію), і індукційного струму.

Обертаючи електромагніт індукційної машини за допомогою падаючого вантажу, Джоуль визначив співвідношення між роботою падаючого вантажу і теплотою, що виділяється в ланцюзі. Він знайшов як середній результат зі своїх вимірів, що «кількість тепла, яка може нагріти один фунт води на один градус Фаренгейта, може бути перетворена на механічну силу, яка може підняти 838 фунтів на вертикальну висоту в один фут» . Переводячи одиниці фунт і фут в кілограми і метри і градус Фаренгейта в Цельсій, знайдемо, що механічний еквівалент тепла, обчислений Джоулем, дорівнює 460 кгс-м/ккал. Цей висновок призводить Джоуля до іншого, більш загального висновку, який він обіцяє перевірити в подальших експериментах: «Могутні сили природи... неруйнівні, і... у всіх випадках, коли витрачається механічна сила, виходить точна еквівалентна кількість теплоти» . Він стверджує, що тваринна теплота виникає в результаті хімічних перетворень в організмі і що самі хімічні перетворення є результатом дії хімічних сил, що виникають з «падіння атомів». .

Джоуль продовжував свої експерименти і в 60-х і 70-х роках. У 1870 р. він увійшов до складу комісії щодо визначення механічного еквівалента теплоти. До складу цієї комісії входили В. Томсон, Максвелл та інші вчені. Але Джоуль не обмежився роботою експериментатора. Він рішуче став на думку кінетичної теорії теплоти і став одним із основоположників кінетичної теорії газів. Про цю роботу Джоуля буде сказано пізніше. На відміну від своїх попередників Гельмгольц пов'язує закон із принципом неможливості вічного двигуна (perpetuum mobile). Цей принцип приймав ще Леонардо да Вінчі, вчені XVII ст. (Згадаймо, що Стевін обґрунтував закон похилої площини неможливістю вічного руху), і, нарешті, у XVIII ст. Паризька Академія наук відмовилася розглядати проекти вічного двигуна. Гельмгольц вважає принцип неможливості вічного двигуна тотожним принципу, що «всі дії у природі можна звести на привабливі чи відштовхувальні сили». Матерію Гельмгольц розглядає як пасивну та нерухому. Для того щоб описати зміни, що відбуваються у світі, її треба наділити силами як привабливими, так і відразливими. «Яви природи, – пише Гельмгольц, – мають бути зведені до рухів матерії з незмінними рушійними силами, які залежить лише від просторових взаємин» . Різними шляхами йшли відкривачі закону збереження та перетворення енергії для його встановлення. Майєр, почавши з медичного спостереження, одразу розглядав його як глибокий всеосяжний закон і розкривав ланцюг енергетичних перетворень від космосу до живого організму. Джоуль завзято і наполегливо вимірював кількісне співвідношення теплоти та механічної роботи. Гельмгольц пов'язав закон із дослідженнями великих механіків XVIII ст. Йдучи різними шляхами, вони поряд із багатьма іншими сучасниками наполегливо боролися за утвердження та визнання закону всупереч протидії цехових учених. Боротьба була нелегкою і часом набувала трагічного характеру, але вона закінчилася повною перемогою. Наука отримала у своє розпорядження великий закон збереження та перетворення енергії.

Висновок

Закон збереження енергії - фундаментальний закон природи, встановлений емпірично і полягає в тому, що енергія ізольованої (замкненої) фізичної системи зберігається з часом. Іншими словами, енергія не може виникнути з нічого і не може зникнути в нікуди, вона може лише переходити з однієї форми до іншої.

Однак у різних розділах фізики з історичних причин закон збереження енергії формулюється по-різному, у зв'язку з чим йдеться про збереження різних видів енергії. Наприклад, у термодинаміці закон збереження енергії виражається у вигляді першого початку термодинаміки. Оскільки закон збереження енергії відноситься не до конкретних величин і явищ, а відображає загальну, застосовну скрізь і завжди закономірність, то правильнішим є його ім'я не законом, а принципом збереження енергії.

У 1841 р. російський вчений Ленц та англієць Джоуль майже одночасно і незалежно один від одного експериментально довели, що теплота може бути створена за рахунок механічної роботи. Джоуль визначив механічний еквівалент тепла. Ці та інші дослідження підготували відкриття закону збереження та перетворення енергії. У 1842-1845 р.р. німецький вчений Р. Майєр сформулював цей закон на основі узагальнення даних природознавства про механічний рух, електрику, магнетизм, хімію і навіть фізіологію людини. Одночасно в Англії (Гров) та Данії (Кольдинг) були висловлені аналогічні ідеї. Дещо пізніше цей закон розробляв Гельмгольц (Німеччина). Різними шляхами йшли відкривачі закону збереження та перетворення енергії для його встановлення.

Список літератури

1. 100 великих наукових відкриттів/під Д.К. Саміна. - М.: Віче, 2002. - 480 с.

2. Антошина, Л.Г., Павлов, С.В., Скіпетрова, Л.А. Загальна фізика. Збірник завдань/Л.Г. Антошина, С.В. Павлов, Л.А. Скіпетрова. - М.: Інфра-М, 2008. - 336 с.

3. Блохінцев, Д.І. Основи квантової механіки/Д.І. Блохінцев. - СПб.: Лань, 2004. - 672 с.

4. Дуков, В.М. Історія формулювання закону збереження енергії/В.М. Дуков// Фізика. - М.: Перше вересня. - 2002. - № 31/02. - С. 32-34.

5. Кубо, Р. Термодинаміка / Р. Кубо. - М.: Наука, 2007. - 307 с.

6. Сівухін, Д.В. Загальний курс фізики/Д.В. Сивухін. - М.: Фізматліт, 2004. - 656 с.

7. Тіплер, П.А., Ллуеллін, Р.А. Сучасна фізика/П.А. Тіплер, Р.А. Ллуеллін. - М.: Світ, 2007. - 496 с.

Подібні документи

Трактування поняття "жива сила" у наукових працях Декарта, Лейбніца, Ньютона, Юнга. Ознайомлення із змістом закону збереження та перетворення енергії в механіці. Розгляд теплородної та кінетичної теорій процесів перетворення роботи на теплоту.

реферат, доданий 30.07.2010


Детермінізм як вчення про об'єктивний закономірний взаємозв'язок та взаємозумовленість явищ матеріального та духовного світів. Загальна характеристика законів збереження, історія відкриття закону збереження речовини. Еволюція закону збереження енергії.

реферат, доданий 29.11.2009


Симетрія та її значення: пропорційна (збалансована) та рівновага. Симетрія природи у фізиці, її фундаментальні теорії. Закони збереження: закон зміни та закон збереження повної енергії, закон збереження імпульсу, закон збереження заряду.

реферат, доданий 05.01.2008


Фундаментальні закони збереження (закон збереження енергії, закон збереження імпульсу, закон збереження моменту імпульсу). Зв'язок законів збереження з симетрією простору та часу. Симетрія як основа опису об'єктів та процесів у мікросвіті.

реферат, доданий 17.11.2014


Ієрархія природно наукових законів. Закони збереження. Зв'язок законів збереження із симетрією системи. Фундаментальні фізичні закони, за якими за певних умов деякі фізичні величини не змінюються з часом.

реферат, доданий 17.10.2005


Закони збереження маси та енергії в макроскопічних процесах. Самоорганізація хімічних систем та енергетика хімічних процесів. Особливості біологічного рівня організації матерії. Забруднення довкілля: атмосфера, вода, грунт, їжа.

контрольна робота , доданий 11.11.2010


Закон збереження маси як із фундаментальних законів природознавства. Співвідношення між енергією спокою та масою тіла Ейнштейна, теорія відносності. Взаємне перетворення маси та енергії в ядерній енергетиці. Фізична сутність вогню, природа маси.

реферат, доданий 23.04.2010


Динамічні закони в макро та статичні в мікросвіті. Закон збереження енергії та неможливість створення вічного двигуна першого роду. Другий закон термодинаміки та неможливість створення вічного двигуна другого роду. Енергетика хімічних процесів.

контрольна робота , доданий 20.06.2010


Поняття симетрії як незмінності (інваріантності) властивостей та характеристик об'єкта по відношенню до будь-яких перетворень (операцій) над ним. Значення законів збереження (імпульсу, енергії, заряду) для науки. Ізотропність простору-часу.

курсова робота , доданий 04.11.2011


Шляхи розвитку природознавства у XVIII-XIX ст. Особливості космогонічної теорії Канта - Лапласа. Закон збереження та перетворення енергії. Клітинна будова рослин та тварин. Еволюційна теорія Дарвіна. Періодична система елементів Менделєєва.

Закон збереження та перетворення енергії є одним із найважливіших постулатів фізики. Розглянемо історію його появи, а також основні сфери застосування.

Сторінки історії

Для початку з'ясуємо, хто відкрив закон збереження та перетворення енергії. У 1841 році англійським фізиком Джоулем і російським ученим Ленцем паралельно були проведені експерименти, в результаті яких ученим вдалося практично з'ясувати зв'язок між механічною роботою і теплотою.

Численні дослідження, проведені фізиками у різних куточках нашої планети, визначили відкриття закону збереження та перетворення енергії. У середині дев'ятнадцятого століття німецьким вченим Майєром було надано його формулювання. Вчений спробував узагальнити всю інформацію про електрику, механічний рух, магнетизм, фізіологію людини, що існувала в той проміжок часу.

Приблизно у цей період аналогічні думки висловили вченими в Данії, Англії, Німеччини.

Експерименти з теплотою

Незважаючи на різноманіття ідей, що стосуються теплоти, повне уявлення про неї було дано лише російським вченим Михайлом Ломоносовим. Сучасники не підтримали його ідеї, вважали, що теплота не пов'язана з рухом найдрібніших частинок, з яких складається речовина.

Закон збереження та перетворення механічної енергії, запропонований Ломоносовим, був підтриманий лише після того, як у ході експериментів Румфорду вдалося довести наявність руху частинок усередині речовини.

Для отримання теплоти фізик Деві намагався плавити лід, здійснював тертя один про одного двох шматків льоду. Він висунув гіпотезу, згідно з якою теплота розглядалася як коливальний рух частинок матерії.

Закон збереження та перетворення енергії за Майєром припускав незмінність сил, що викликають появу теплоти. Подібна ідея була розкритикована іншими вченими, які нагадували про те, що сила пов'язана зі швидкістю та масою, отже, її значення не могло залишатися незмінною величиною.

Наприкінці дев'ятнадцятого століття Майєр узагальнив свої ідеї у брошурі та спробував вирішити актуальну проблему теплоти. Як використовувався на той час закон збереження та перетворення енергії? У механіці не було єдиної думки щодо способів отримання, перетворення енергії, тому до кінця ХІХ століття це питання залишалося відкритим.

Особливість закону

Закон збереження та перетворення енергії є одним із фундаментальних, що дозволяють за певних умов вимірювати фізичні величини. Його називають першим початком термодинаміки, основним об'єктом якого є збереження цієї величини за умов ізольованої системи.

Закон збереження та перетворення енергії встановлює зв'язок між величиною теплової енергії, яка потрапляє в зону взаємодії різних речовин, з тією її кількістю, яка йде з цієї зони.

Перехід одного виду енергії до іншого не означає, що вона зникає. Ні, спостерігається лише її перетворення на іншу форму.

У цьому спостерігається взаємозв'язок: робота - енергія. Закон збереження та перетворення енергії передбачає постійність цієї величини (повна її кількість) при будь-яких процесах, що протікають у Це свідчить про те, що в процесі переходу одного виду в інший дотримується кількісна еквівалентність. Для того, щоб дати кількісну характеристику різних видів руху, у фізиці введено ядерну, хімічну, електромагнітну, теплову енергію.

Сучасне формулювання

Як читається закон збереження та перетворення енергії в наші дні? Класична фізика пропонує математичний запис даного постулату у вигляді узагальненого рівняння стану термодинамічної замкнутої системи:

Це рівняння показує, що повна механічна енергія замкнутої системи визначається як суми кінетичної, потенційної, внутрішньої енергій.

Закон збереження та перетворення енергії, формула якого була представлена ​​вище, пояснює незмінність цієї фізичної величини у замкнутій системі.

Основним недоліком математичного запису є її актуальність лише для замкнутої термодинамічної системи.

Незамкнуті системи

Якщо враховувати принцип прирощень, можна поширити закон збереження енергії і незамкнуті фізичні системи. Цей принцип рекомендує записувати математичні рівняння, пов'язані з описом стану системи, над абсолютних показниках, а їх числових приращениях.

Щоб повною мірою враховувалися всі форми енергії, пропонувалося додавати до класичного рівняння ідеальної системи суму прирощень енергій, які викликані змінами стану аналізованої системи під впливом різних форм поля.

В узагальненому варіанті має такий вигляд:

dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj

Саме це рівняння вважається найповнішим у сучасній фізиці. Саме воно стало основою закону збереження та перетворення енергії.

Значення

У науці немає винятків із цього закону, він керує всіма природними явищами. Саме на підставі даного постулату можна висувати гіпотези про різні двигуни, включаючи спростування реальності розробки вічного механізму. Його можна застосовувати у всіх випадках, коли необхідно пояснювати переходи одного виду енергії до іншого.

Застосування у механіці

Як читається закон збереження та перетворення енергії в даний час? Його суть полягає у переході одного виду цієї величини до іншої, але при цьому її загальне значення залишається незмінним. Ті системи, в яких здійснюються механічні процеси, які мають консервативні. Такі системи є ідеалізованими, тобто в них не враховуються сили тертя, інші види опорів, що викликають розсіювання механічної енергії.

У консервативній системі протікають лише взаємні переходи потенційної енергії до кінетичної.

Робота сил, що діють у подібній системі на тіло, не пов'язана з формою шляху. Її величина залежить від кінцевого та початкового положення тіла. Як приклад сил такого роду у фізиці розглядають силу важкості. У консервативній системі величина роботи сили на замкнутій ділянці дорівнює нулю, а закон збереження енергії буде справедливим у такому вигляді: «У консервативній замкнутій системі сума потенційної та кінетичної енергії тіл, які складають системи, зберігається незмінною».

Наприклад, у разі вільного падіння тіла відбувається перехід потенційної енергії в кінетичну форму, причому сумарне значення цих видів не змінюється.

На закінчення

Механічну роботу можна як єдиного способу взаємного переходу механічного руху на інші форми матерії.

Цей закон знайшов застосування у техніці. Після вимикання двигуна автомобіля відбувається поступова втрата кінетичної енергії, наступна зупинка транспортного засобу. Дослідження показали, що при цьому спостерігається виділення певної кількості теплоти, отже, тіла, що труться, нагріваються, збільшуючи свою внутрішню енергію. Що стосується тертя чи будь-якого опору руху спостерігається перехід механічної енергії у внутрішню величину, що свідчить про правильність закону.

Його сучасне формулювання має вигляд: «Енергія ізольованої системи не зникає в нікуди, не з'являється звідки. У будь-яких явищах, що існують усередині системи, спостерігається перехід одного виду енергії до іншої, передача від одного тіла до іншого, без кількісної зміни».

Після відкриття цього закону фізики не залишають ідею про створення вічного двигуна, в якому при замкнутому циклі не відбувалося б зміни величини переданого системою тепла навколишньому світу, в порівнянні з одержуваним ззовні теплом. Така машина змогла б стати невичерпним джерелом тепла способом вирішення енергетичної проблеми людства.