Р. Майер, Д. Джоуль, Г. Гельмгольц, Э. Ленц. – Открытие закона сохранения и превращения энергии.

Закон сохранения и превращения энергии является одним из важнейших законов современного естествознания. Он выражает положение диалектического материализма о неуничтожимости и несотворимости материи и движения. Формулировка этого закона стала общеизвестной: сумма всех видов энергии изолированной системы есть величина постоянная. Истоки его уходят в глубокую древность. «Из ничего, ничего не бывает» — так древними греками была выражена идея сохранения. Эта великая идея развивалась и постепенно расширяла сферу своего влияния. В процессе развития естествознания были открыты законы сохранения массы, электрического заряда, количества движения, а в середине XIX в. — закон сохранения и превращения энергии. Именно к этому периоду созрели необходимые условия для появления данного закона.

В 1829 г., Понселе открыл принцип сохранения энергии в механике: удвоенная алгебраическая сумма работ равна сумме живых сил; работа, или живая сила, никогда не получается из ничего и не превращается в ничто, а только преобразуется.

Одной из основных предпосылок открытия закона сохранения и превращения энергии явились успехи паровой техники и связанные с нею теоретические работы. «Паровая эпопея» очень интересна. Приведем из нее лишь некоторые факты. После изобретения паровой машины естественным было стремление приспособить ее для движения транспорта. Патент на паровую лодку был взят в 1736 г. (Гульс). В 1807 г. на реке Гудзон в Америке пошел первый пароход Фультона «Клермонт». В Европе это произошло в 1812 г. После изобретения шведом Эриксоном в 1839 г. винта колесные пароходы стали вытесняться винтовыми.

Значительно сложнее решалась задача применения пара на сухопутном транспорте. В 1770 г. появилась первая паровая повозка, которая вопреки предсказаниям скептиков передвигалась, но была трудно управляемой и потерпела аварию. Первый паровоз был построен Треветиком и двигался по гладкому рельсовому пути. Первая железнодорожная линия появилась в Англии в 1825 г., на ней, кроме паровоза Стефенсона, использовалась и конная тяга. Успех первого опыта Стефенсона способствовал постройке железной дороги между Манчестером и Ливерпулем. В 1830 г. эта линия начала работать, и «Ракета» Стефенсона развивала на ней уже скорость до 35 миль в час. В 1832 г. была построена первая железная дорога во Франции, в 1835 г. — в Германии. В России первый паровоз, построенный отцом и сыном Черепановыми в 1834 г. работал на железной дороге в 400 сажен между рудником у подошвы горы Высокой и медеплавильным заводом уральского промышленника Демидова в Нижнем Тагиле. «Сухопутный пароход» Черепановых развивал «по колесопроводам» ско­рость до 15 км/ч и перевозил груз до 3,5 т. В 1837 г. в России была торжественно открыта железная дорога; между Петербургом и Царским Селом. Так его величество пар все больше и больше завоевывал транспорт,

Открытию закона сохранения и превращения энергии способствовали также теоретические работы, в области теплотехники физиологии и самой физики. Одной из таких работ является труд французского военного инженера С. Карно (1796—1832) «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных, развивать эту силу». Хотя паровые машины применялись уже давно, однако физические основы их работы оставались неясными. И вот Карно поставил перед собой задачу «рассмотреть принцип получения движения из тепла во всей его полноте, независимо от какого-либо механизма, какого-либо определенного агента; провести исследования. приложенные ко всем мыслимым тепловым машинам».

Работа Карно явилась началом термодинамики, а предложенный им общий метод решения задачи — термодинамическим методом, широко используемым в современной физике. В результате исследований Карно пришел к выводу, который в современной формулировке гласит, что КПД цикла Карно не зависит от рабочего вещества, а определяется лишь температурой нагревателя и холодильника. В своей работе Карно писал: «Тепло не что иное, как движущая сила, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тела... Движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается и не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает». Нетрудно видеть, что это, по существу, формулировка закона сохранения и превращения энергии (движущей силы, по Карно).

Карно замечает, что когда движущая сила переходит в теплоту, то количество теплоты точно пропорционально количеству движущей силы. Для механического эквивалента теплоты он дает значение 370 кгсм/ккал (современное значение 427 кгсм/ккал)

Физиология также постепенно отказывалась от таинственных жизненных сил и вводила жизненные процессы в круг обычных естественных процессов. В 1840 г. петербургский академик Гесс формулирует положение о сохранении количества теплоты, выделяющегося при химических реакциях независимо от способов перехода, если только физическое состояние веществ не изменяется. Это положение означало, что химики уже практически подошли к открытию закона сохранения энергии.

Рассматривая в предыдущих разделах работы физиков, мы неоднократно обращали внимание на те успехи, которые были достигнуты в доказательстве единства и взаимопревращаемости различных сил природы (электрических, магнитных, тепловых, механических). Все это говорило о том, что к середине XIX в. наука стояла перед открытием закона сохранения и превращения энергии. Многие ученые внесли свой вклад в его установление, но физика связывает, и по праву, его открытие в первую очередь с именами Р. Майера, Г. Гельмгольца, Д. Джоуля, Э. Ленца, М. Фа радея.

Эмиль Христианович Ленц (1804—1865) родился 12 февраля 1804 г. в г. Дерпте (ныне Тарту). В 1820 г. после окончания гимназии он поступил в университет. В 1823 — 1826 гг. Ленц в должности физика принимал участие в кругосветной экспедиции, где ярко проявился его изобретательский талант. Труды экспедиции в целом и Ленца в частности получили очень высокую оценку.

Большую работу по геофизике и астрономии провел Ленц во время экспедиций на Кавказ и в Крым. Оценкой заслуг Ленца было избрание его адъюнктом по физике в 1828 г. и академиком Петербургской академии в 1830 г. Будучи академиком, он направляет свои исследования в область электричества, заложив основы баллистического метода измерения физических величин, содействуя признанию и развитию закона Ома, сформулировав «правило Ленца» для определения направления индукционного тока. Исследования Ленца дали возможность Гельмгольцу получить выражение для ЭДС индукции на основе закона сохранения и превращения энергии. Изучая тепловое действие тока, Ленд открывает независимо от Джоуля закон, который носит теперь имя Джоуля — Ленца. Хотя Ленц не сформулировал закон сохранения энергии, но энергетический подход к электрическим явлениям был методом его исследования.

Роберт Юлиус Майер (1814—1878) родился 25 ноября 1814 г. в г. Хейльбронне (Германия), в семье аптекаря. Окончив среднюю школу, Майер поступил в Тюбингенский университет на медицинский факультет.

В 1840 г. Майер в качестве судового врача отправляется в Индонезию на голландском корабле. И вот однажды во время стоянки корабля в Сурабае на о. Ява, пуская кровь заболевшим матросам, Майер был поражен ярким цветом венозной крови (такой цвет в умеренных странах имела артериальная кровь). Майер даже испугался, думая, что случайно вместо вены попал на артерию. Но местные врачи успокоили его и объяснили, что в тропических странах венозная кровь имеет ярко-красный цвет. Думая над этим случаем, Майер пришел к выводу, что «температурная разница между организмом и окружающей средой должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови (артериальной и венозной). Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме».

Вернувшись в Хейльбронн в 1841 г., Майер начал усиленно заниматься этим вопросом и написал статью «О количественном и качественном определении сил». Работа была направлена редактору журнала «Анналы физики» Поггендорфу. Статья была незаконченной, несовершенной по стилю (Майер запутался с термином «сила»), да и имя автора ничего не говорило редактору. Поггендорф не пропустил статью и даже не счел нужным пи ответить Майеру, ни выслать работу обратно, о чем последний просил его в случае отказа в напечатании. (Эта работа Майера была обнаружена в бумагах Поггендорфа после его смерти в 1875 г. и напечатана в 1881 г.) Несмотря на несовершенство формулировок, главная мысль работы была очень глубокой: «Принцип, по которому раз данные силы количественно неизменны, подобно веществам, логически обеспечивает нам существование материального мира. Физика и химия должны считать количество своих объектов неизменным и только качество их изменяющимся».

Следующая работа Майера «Замечания о силах неживой природы» появилась в 1842 г. В ней Майер уже в более четкой и законченной форме излагает свою идею. Рассматривая переход силы падения в силу движения (потенциальной энергии в кинетическую. — Ф. Д.), Майер приходит к закону сохранения «живых» сил: «И хотя мы наблюдаем «исчезновение» движения в конце падения, но на основе этого принципа мы можем заключить, что оно исчезнуть не могло, а могло перейти только в другую форму». «Какую дальнейшую форму способна принять сила, которую мы познали как силу падения или движения?» — спрашивает Майер. (Как известно, об этом уже век назад говорил М. В. Ломоносов, но Майер не знал его работы.) И Майер приходит к выводу, что «тепло возникает из движения», и считает необходимым установление эквивалента этих различных сил: «Нужно определить, как высоко должен быть поднят определенный груз над поверхностью земли, чтобы сила падения была бы эквивалентна нагреванию равного ему по весу количества воды от 0° до 1°». Опираясь на данные по теплоемкости газов при постоянном давлении и постоянном объеме, Майер теоретически находит механический эквивалент теплоты (365 кгсм/ккал, точ­ность «85%).

Считая, что на его идею мало обращают внимания, Майер написал в 1845 г. новую развернутую работу. В ней он разобрал подробно различные виды сил (энергий): механическую силу, силу падения, теплоту, электричество, химическую силу. Он составил таблицу всех рассмотренных сил и описал 25 случаев перехода одной формы движения в другую, анализируя их на основе закона сохранения. В работе отрицается теплород и другие невесомые жидкости.

Очень интересна вторая часть работы, где поставлен вопрос об основном источнике энергии на Земле. Считая им Солнце, Майер стремится проследить круговорот всех известных в то время видов энергии на Земле и во Вселенной в целом. Здесь же высказана очень ценная мысль о том, что растения являются сложной химической лабораторией, где солнечная энергия превращается в химическую. Это проблема фотосинтеза, которая успешно была решена русским ученым К. А. Тимирязе­вым (1843—1920), чрезвычайно высоко ценившим Р. Май-ера.

В это же время в печати появляются работы других авторов (Джоуля, Гельмгольца) по проблеме сохранения и превращения движения. Начинаются споры о приоритете.

В 1851 г. он пишет сочинение «Замечания о механическом эквиваленте тепла». «Нужно думать, что это защитительное сочинение было написано кровью Майера, исчерпав последние его силы», — отмечал Оствальд. Здесь Майер, признавая заслуги других ученых, в частности Джоуля, защищает свой приоритет в открытии закона сохранения и превращения энергии: «Я убежден, что Джоуль сделал свои открытия о теплоте и силе, не зная моих, и признаю, что многочисленные заслуги этого известного физика внушили мне большое к нему уважение; тем не менее я полагаю, что могу с полным правом снова подтвердить, что закон эквивалентности тепла и живой силы, с его численным выражением, опубликовал впервые я (в 1842 г.)».

И только в начале 60-х годов ряд ученых начали выступать в защиту приоритета Майера. Признал заслуги Майера, официально об этом заявив в 1854 г., и Г. Гельмгольц: «Первым правильно понял и формулировал закон, о котором идет здесь речь (закон сохранения и превращения энергии. — Ф. Д.), немец­кий врач в Хейльбронне Р. 10. Майер в 1842 г.».

Ф. Энгельс по достоинству оценил важность открытия этого закона и роль Майера в его установлении: «Количественное постоянство движения было высказано уже Декартом и почти в тех же выражениях, что и теперь (Клаузисом, Робертом Майером). Зато превращение формы движения открыто только в 1842 г., и это, а не закон количественного постоянства, есть новое..».

Одновременно с Майером и независимо от него закон сохранения энергии тоже с теоретических позиций разрабатывал Герман Гельмгольц (1821—1894). Гельмгольц родился 31 августа 1821 г. в Потсдаме, в семье преподавателя гимназии. Окончив в 1838 г. Потсдамскую гимназию, он поступил в Медико-хирургический институт в Берлине. После окончания института в 1843 г. Гельмгольц начал работать военным хирургом в гусарском полку. Уже в студенческие годы Гельмгольц проявил большой интерес к физиологии: его заинтересовали вопросы о сущности силы. Этот вопрос Гельмгольц разрешает в работе «О сохранении силы», вышедшей в 1847 г. Здесь на основе принципа сохранения он анализирует различные явления: падение тел, переход механического движения в тепловое, выделение теплоты при химических реакциях, контактную разность потенциалов, работу гальванических элементов. Наибольшую известность получил вывод Гельм-гольцем ЭДС индукции на основе закона сохранения. Итог проделанной работы он подводит следующими словами: «Полагаю, мне удалось доказать, что рассматриваемый закон не противоречит ни одному известному явлению в области естествознания, а многими из них он весьма наглядно подтверждается. Я постарался возможно полнее изложить те последствия, которые вытекают из сочетания этого закона с известными до сих пор законами естественных явлений и которые требуют еще экспериментального подтверждения. Целью настоящего исследования. являлось желание доказать теоретическую, практическую и эвристическую важность этого закона, полное подтверждение которого представляет собой, пожалуй, одну из основных задач ближайшего будущего физики». Гельмгольц не ошибся. Как бы подтверждая его слова, параллельно с ним над законом сохранения энергии в экспериментальном плане работал Джеймс Джоуль (1818—1889).

Родился Джоуль в Манчестере 24 декабря 1818 г., по профессии был пивоваром. Первые работы Джоуля в физике связаны с изобретением электромагнитных аппаратов, которые были ярким примером превращаемости физических сил. Джоуль был прекрасным экспериментатором. Исследуя законы выделения теплоты электрическим током, он понял, что опыты с гальваническими источниками не дают возможности ответить на вопрос, какой вклад в нагрев проводника вносит переносимая теплота химических реакций, а какой — сам ток. И решил ставить опыты с индукционным током. Так был открыт закон Джоуля — Ленца.

В результате многочисленных опытов Джоуль пришел к выводу, что теплоту можно получать с помощью механических сил. Заменив ручное вращение катушки вращением с помощью падающего груза, Джоуль нашел в 1843 г. механический эквивалент теплоты. Эту величину впоследствии он определял различными способами. Наиболее точное значение механического эквивалента, найденное Джоулем, равно 424,3 кгсм/ккал (точность «97%). Оно было получено из опытов по нагреванию во­ды в калориметре с помощью падающих грузов. Опыты Джоуля просты по идее, но в каждом из них можно найти какую-нибудь экспериментальную тонкость. Например, в последнем, о кото­ром шла речь, для предотвращения движения всей массы воды к боковым стенкам калориметра в радиальном направлении были прикреплены четыре ряда пластинок; в целях теплоизоляции металлическая ось разделена на две части деревянным цилиндром и т. д.

Джоуль внес большой вклад в кинетическую теорию газов, открыв вместе с Томсоном эффект изменения температуры газа при его расширении (эффект Джоуля — Томсона). Из работ Джоуля непосредственно следовало, что теплота не является веществом, что она состоит в движении частиц. Все это несомненно способствовало утверждению и признанию закона сохранения и превращения энергии, открытие которого явилось величайшим завоеванием науки XIX в.

Значение этого закона для науки трудно переоценить. Нз основе законов сохранения, и в частности закона сохранения и превращения энергии, в науке и технике производятся различные расчеты, предсказываются новые эффекты и явления, с материалистических позиций оцениваются открытия. Если, скажем, новая теория или проект новой установки не противоречат закону сохранения и превращения энергии, то это служит убедительным аргументом в их пользу. История физики имела дело с сотнями разнообразных, порою очень остроумных машин, предложенных разными авторами в качестве вечного двигателя. Сегодня нам ясно, что работать они не могли, ибо их создание противоречило закону сохранения и превращения энергии.

Одна из трудностей, с которой столкнулась физика в 30-е годы XX в., была связана с исследованием р - радиоактивного распада (р - распад есть превращение ядер элементов с испусканием электронов). Когда это явление решили проанализировать на основе законов сохранения, то возникла исключительно сложная ситуация: энергия, импульс, момент импульса начального ядра оказались не равными их суммарным значениям у вновь образовавшегося ядра и выброшенного электрона. Среди многочисленных гипотез, выдвинутых для объяснения возникшего противоречия, была и гипотеза о нарушении законов сохранения в этом явлении. В частности, такой выход в 1930 г. предложил Н. Бор. Однако эта гипотеза, к счастью, встретила очень дружное сопротивление многих физиков. В. Паули писал: «На мой взгляд, эта гипотеза не только неудовлетворительна, но даже недопустима». Он же предложил новую гипотезу для объяснения данного явления, согласно которой при (В-распаде, кроме электрона, из ядра должна была вылететь еще одна частица. Э. Ферми, разработавший на этой основе теорию (В-распада, назвал новую частицу нейтрино (маленький нейтрон). Развитие физики подтвердило теорию Ферми.

Вот почему сегодня мы говорим о большом методологическом и эвристическом значении закона сохранения и превращения энергии. Он указывает нам путь и метод исследования, он дает нам возможность предсказывать новое.

Основоположники марксизма видели огромное значение закона сохранения и превращения энергии для диалектико-материалистического понимания окружающего мира, ставя открытие этого великого закона природы в один ряд с открытием клетки и теории Дарвина. Естествознание неопровержимо доказывало, что окружающий мир есть вечно движущаяся материя, есть непрерывно происходящее превращение ее различных форм движения. Открытие этого закона было поворотным пунктом в естествознании от механистического (метафизического) материализма к диалектическому материализму. По этому поводу Ф. Энгельс писал: «Современное естествознание вынуждено было заимствовать у философии положение о неуничтожимости движения; без этого положения естествознание теперь не может уже существовать. Но движение материи — это не одно только грубое механическое движение, не одно только перемещение; это — теплота и свет, электрическое и магнитное напряжение, химическое соединение и разложение, жизнь и, наконец, сознание... Неуничтожимость движения надо понимать не только в количественном, но и в качественном смысле...

У нас есть уверенность в том, что. ни один из ее (материи.— Ф. Д.) атрибутов никогда не может быть утрачен и что поэтому с той же самой железной необходимостью, с какой она когда-нибудь истребит на земле свой высший цвет — мыслящий дух, она должна будет его снова породить где-нибудь в другом месте и в другое время».