Закон сохранения и превращения энергии (первый закон термодинамики)

Более 200 лет назад люди стали догадываться о том, что энергия в природе не появляется на пустом месте и не пропадает бесследно, а просто превращается из одной в другую. Например, не раз замечалось, что тело во время быстрого бега разогревается, а предметы при натирании теплеют. То есть энергия работы, движения каким-то образом трансформируется в тепловую энергию.

Первым этот процесс четко описал французский инженер Сади Карно (1796—1832). Именно он открыл, что теплота выделяется тогда, когда энергия движения тел переходит в энергию движения частиц, из которых состоят эти тела, и таким образом меняет форму. И наоборот, шустро передвигающиеся частицы, скажем, горячего пара приводят в движение вал турбины. При этом Сади был уверен, что определенное количество одного вида энергии полностью, без малейших потерь, превращается в такое же количество другой энергии. Хоть позже и выяснилось, что это не так, Карно заложил основы термодинамики и создал базу для дальнейших изысканий в данном направлении, которыми занимались, в частности, английский ученый У. Томсон и немецкий физик Р. Клаузиус.

Между тем немецкий медик Роберт Майер во время путешествия в 1840 г. на остров Ява сделал любопытное открытие: у людей, которые долгое время провели в тропиках, венозная кровь ярче и светлее, чем у жителей Европы. Причину Роберт усмотрел в теплообмене: мол, в жарких странах человеку требуется меньше энергии на обогрев, поэтому кислород в организме расщепляет пищу не так активно, и, соответственно, в венозной крови скапливается меньше углекислого газа. Это натолкнуло медика на мысль о тесной взаимосвязи между работой и теплом, а когда один из моряков рассказал ему, как разогревается штормовое море, он окончательно убедился в том, что энергия не иссякает, а трансформируются в другой вид. Ведь вода в шторм нагревается не солнечными лучами, а движением волн! В статье, посвященной этому открытию, Майер написал, что энергии тепла, движения и электричества — неуничтожимые материи, которые выступают инициаторами и посредниками во взаимодействиях разных тел, в процессе чего меняют свое качество.

Через год Роберт опубликовал еще один материал, где впервые попытался определить, сколько работы нужно затратить, чтобы выделилось то или иное количество тепла, и сколько теплоты потребуется для совершения некоторого количества движения. Расчеты ученого были такими: если поднять на высоту 365 м, например, 20-килограммовый предмет, а потом бросить его вниз, то он ударится оземь с такой силой, что энергии этого удара хватит, дабы нагреть на градус 20 л воды.

За последующие четыре года Майер написал целый труд на тему обмена веществ у живых организмов, детально изложив свою теорию сохранения энергии. Согласно этой теории, любое явление природы, любой процесс вызывается определенной причиной и затем провоцирует иное явление. Таким образом, все причины можно разделить на две категории: сила и материя. Ни первая, ни вторая не могут просто разрушиться и исчезнуть — вместо этого они взаимно превращаются, меняя форму.

Силы — или энергии — Майер подразделял на несколько видов. Живая, то есть кинетическая, выделяется при движении тел. Сила падения (потенциальная) соответствует произведению высоты, с которой был сброшен предмет, и веса самого предмета. Суммарная механическая связана с превращением первой силы во вторую. Наконец, тепловая способна трансформироваться в механическую и обратно (ученый вычислил, что для получения 1 ккал тепла нужно затратить 425 кГм механической энергии). Кроме того, есть еще электрическая и химическая силы. Первая возникает от трения, а значит, является результатом трансформации механической работы. Вторая выделяется в процессе соединения химических элементов и распада веществ. В природе же все энергетические преобразования запускаются Солнцем и происходят циклически.

Теория Майера не нашла сторонников, однако он прямо заявил, что не верит в существование нематериальных субстанций вроде теплорода — невесомой жидкости — или флогистона (мифического горючего «наполнителя» всех тел). Призвав общественность к борьбе с древними суевериями, ученый подчеркнул, что природа намного мудрее человека и познать ее не так-то просто.

Одновременно с Майером исследования энергообмена проводил английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818—1889). Ничего не зная об изысканиях немецкого коллеги, в 1843 г. он тоже обнаружил, что работу (энергию перемещения или трения) можно «обменять» на эквивалентное количество теплоты, и наоборот. Джоуль экспериментировал с гальваническим элементом — электрической батареей, состоящей из цинковой и медной пластин, погруженных в раствор серной кислоты. Цинковая пластина в таком устройстве накапливает отрицательный заряд, отдавая раствору положительные атомы-ионы, а при соединении с медной пластиной перебрасывает ей лишние электроны, вследствие чего генерируется электричество. Соответственно, если к гальваническому элементу подсоединить провод, по нему пойдет ток. Так вот, наблюдения показали: во время прохождения тока провод нагревается, и столько же тепла выделяют химические процессы в батарее. Из этого ученый заключил, что поток электронов транспортирует по цепи тепло из батареи, и решил ради любопытства посмотреть, как поведет себя индукционный (мгновенный) ток.

Для этого ему понадобился железный стержень, обмотанный проволокой и помещенный в воду, электромагнит, установленный полюсами по обе стороны катушки, и гальванометр. Подсоединив проволоку к гальванометру, а магнит — к батарее, Джоуль принялся вращать катушку и при этом каждые 15 мин включать-выключать магнит. В моменты возбуждения и исчезновения магнитного поля в катушке возникал индукционный ток — ученый измерял его силу, а также температуру воды. Вскоре стало ясно: мгновенные токи нагревают проводник не хуже постоянного гальванического, и количество выделяемого при этом тепла пропорционально числу атомов, участвующих в химических реакциях батареи. Чтобы определить, как много тепла дает ток, нужно умножить время его прохождения, квадрат его силы и сопротивление проводника.

Далее Джоуль попробовал крутить катушку в разные стороны, предварительно подключив ее к электроцепи, а также придумал вращать ее в магнитном поле падающими грузами. Замеряя не только силу тока и температуру воды, но и работу грузов, ученый выяснил, что на получение 1 ккал тепла нужно потратить 460 кГм механической энергии. А еще сделал вывод: генерируемое магнитом электричество содержит в себе «агентов», которые собственным движением выделяют тепло.

Впоследствии Джоуль нашел механические эквиваленты тепла, выделенного водой, проходящей по узкой трубке, и грузами, которые опускались и поднимались, вращая вертикальную спицу с насаженными на нее лопатками. Это окончательно убедило физика в том, что движение может трансформироваться в тепло, а тепло способно запускать движение либо способствовать магнитному притяжению. То есть все три вида энергии превращаются один в другой без малейших потерь.

Вопрос трансформации энергии очень интересовал и немецкого физиолога Германа Гельмгольца (1821—1894). Сначала Гельмгольц исследовал взаимные преобразования потенциальной энергии, которую тело получает благодаря своему расположению в пространстве, и кинетической энергии движения, а также выделение тепла в процессе этих превращений. Затем ученый занялся тепловыми свойствами электротока — в частности, подсчитал, сколько энергии генерирует конденсатор в заряженном состоянии, а главное — обнаружил нагревание проводника при разряде. После этого Герман поместил в силовое поле замкнутой электроцепи магнит и увидел, что тот начал двигаться, то есть у него появилась кинетическая энергия. Кроме того, за определенный период времени батарея произвела работу, представляющую собой произведение силы тока, электродвижущей силы и временнóго интервала, а проводник выделил тепло, количество которого равнялось произведению силы тока, времени и двойного сопротивления.

Увы, в то время наука еще была не готова принять открытия Гельмгольца, но постепенно ученые все же оценили важность его исследований, и в середине XIX в. закону сохранения и превращения энергии дали почетный титул базового закона природы, объединяющего все физические явления. Позже У. Томсон, Р. Клаузиус и У. Дж. Ренкин углубили теорию Карно, Майера, Джоуля и Гельмгольца, и научный мир навсегда отказался от идеи «невесомых материй».