Fizika. Az energiamegmaradás törvénye

Az energiamegmaradás törvénye

A természettudomány legfontosabb vívmánya az energiamegmaradás törvényének megállapítása. Ennek a törvénynek a jelentősége messze túlmutat a fizikai magánjog keretein. A tömegmegmaradás törvénye helyett ez a törvény képezi a tudományos materialista világkép sarokkövét, kifejezve az anyag és a mozgás elpusztíthatatlanságának tényét. Valójában egy ilyen kijelentés filozófiai előfeltételei már nyilvánvalóak voltak. Az ókori filozófusok, különösen az atomisták között is voltak, és különösen kifejezetten és jól láthatóak voltak közöttük.

1807-ben a Párizsi Tudományos Akadémia tagja, Joseph Louis Gay-Lussac francia fizikus és vegyész kísérletet végzett a gázok tulajdonságainak tanulmányozása közben. Ezelőtt már ismert volt, hogy a sűrített gáz, táguló, lehűl. A tudós szerint ez azért történhet meg, mert egy gáz hőkapacitása a térfogatától függ. Úgy döntött, hogy megnézi. Gay-Lussac arra kényszerítette a gázt, hogy egy edényből üregbe táguljon, vagyis egy másik edénybe, amelyből előzőleg kiszivattyúzták a levegőt.

A kísérletet megfigyelő tudósok meglepetésére a teljes gáz hőmérséklete nem változott. A kapott eredmény nem igazolta a tudós feltételezéseit, és nem értette a kísérlet értelmét. Gay-Lussac jelentős felfedezést tett, és nem vette észre.

A természeti erők változékonyságának doktrínájának kidolgozásában nagyon fontos szerepet játszott az orosz tudós kutatása, amely e tekintetben a kutatás mellett állt. A villamos energiával kapcsolatos figyelemre méltó munkái világos energetikai irányultságúak, és jelentősen hozzájárultak a jog megerősítéséhez. Ezért Lenz jogosan foglalja el az egyik első helyet az energiamegmaradás törvényének alkotóinak és megerősítőinek galaxisában.

Az első, aki pontosan megfogalmazta a természettudomány e nagyszerű törvényét, Robert Mayer német orvos volt.

Robert Julius Mayer (1814–1878) Heilbronnban született gyógyszerész családjában. A középiskola elvégzése után Mayer belépett a Tübingeni Egyetem Orvostudományi Karára. Itt nem matematika vagy fizika tanfolyamokat végzett, de alaposan kémiát tanult Gmelinben. Nem sikerült szünet nélkül elvégeznie a tübingeni egyetemet. Letartóztatták, mert tiltott összejövetelen vett részt. A börtönben Mayer éhségsztrájkba kezdett, és a letartóztatását követő hatodik napon házi őrizetben szabadult. Tübingenből Mayer Münchenbe, majd Bécsbe ment. Végül 1838 januárjában visszatérhetett hazájába. Itt sikeresen vizsgázott és megvédte a szakdolgozatát.

Mayer hamarosan úgy döntött, hogy csatlakozik egy holland hajóhoz, amely Indonéziába utazik hajóorvosként. Ez az utazás fontos szerepet játszott felfedezésében. A trópusokon dolgozva észrevette, hogy a vénás vér színe a forró éghajlaton élők körében világosabb és skarlátvörös volt, mint a hideg európaiak körében a vér sötét színe. Mayer helyesen magyarázta a trópusok lakóinak vérének fényességét: a magas hőmérséklet miatt a szervezetnek kevesebb hőt kell termelnie. Végtére is, meleg éghajlaton az emberek soha nem fagynak meg. Ezért a forró országokban az artériás vér kevésbé oxidálódik, és szinte ugyanolyan skarlát marad, amikor a vénákba kerül.

Mayernek volt egy hipotézise: vajon nem változna-e a test által felszabaduló hőmennyiség, ha ugyanannyi ételt oxidálnak, ha a test a hőleadás mellett munkát is termel? Ha a hőmennyiség nem változik, akkor ugyanannyi élelmiszerből több-kevesebb hő nyerhető, hiszen a munka például súrlódással hővé alakulhat.

Ha a hőmennyiség változik, akkor a munka és a hő eredetét ugyanannak a forrásnak – a szervezetben oxidált tápláléknak – köszönheti. Hiszen a munka és a hő egymásba alakítható. Ez az ötlet azonnal lehetővé tette Mayer számára, hogy világossá tegye a titokzatos Gay-Lussac kísérletet.

Ha a hő és a munka kölcsönösen átalakul, akkor a gázok üres térbe történő kitágulásakor, amikor az nem termel munkát, mivel nincs nyomáserő, amely ellentétes térfogatának növekedésével, a gáznak nem szabad lehűlnie. Ha egy gáz tágulásakor külső nyomással szemben kell dolgoznia, akkor a hőmérsékletének csökkennie kell. De ha a hő és a munka egymásba alakítható, ha ezek a fizikai mennyiségek hasonlóak, akkor felmerül a köztük lévő kapcsolat kérdése.

Mayer megpróbálta kideríteni: mennyi munka szükséges egy bizonyos mennyiségű hő kibocsátásához, és fordítva? Ekkorra már ismert volt, hogy a gáz állandó nyomáson történő melegítése, ahogy a gáz tágul, több hőt igényel, mint egy zárt tartályban lévő gáz melegítése. Vagyis egy gáz hőkapacitása állandó nyomáson nagyobb, mint állandó térfogaton. Ezek a mennyiségek már jól ismertek voltak. De megállapították, hogy mindkettő a gáz természetétől függ: a különbség közöttük szinte minden gáz esetében azonos.

Mayer rájött, hogy ez a hőkülönbség annak a ténynek köszönhető, hogy a táguló gáz működik. Nem nehéz meghatározni azt a munkát, amelyet egy mól táguló gáz egy fokkal hevítve végez. Bármilyen kis sűrűségű gáz ideálisnak tekinthető - állapotegyenlete ismert volt. Ha egy gázt egy fokkal felmelegít, akkor állandó nyomáson a térfogata egy bizonyos mértékben megnő.

Így Mayer azt találta, hogy bármely gáz esetében az állandó nyomású gáz hőkapacitása és az állandó térfogatú gáz hőkapacitása közötti különbség gázállandónak nevezett mennyiség. A moláris tömegtől és a hőmérséklettől függ. Most ez az egyenlet az ő nevét viseli.

Mayerrel egy időben és tőle függetlenül alakult ki az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye.

Helmholtz mechanikus megközelítése, amelyet ő maga is kénytelen volt belátni, hogy szűkös volt, lehetővé tette az „élőerő” abszolút mértékének meghatározását, és az energia minden lehetséges formáját, akár kinetikus („élőerők”), akár potenciális („élő erők”) formájában. feszítő erők”).

Az átalakult mozgásforma mértéke mérhető a mechanikai munka mennyiségével, például teheremelésnél, amely akkor érhető el, ha a teljes eltűnt mozgást erre az emelésre fordítanánk. Az elv kísérleti alátámasztása mindenekelőtt e munka mennyiségi bizonyosságának bizonyításában rejlik. Joule klasszikus kísérleteit ennek a problémának szentelték.

James Prescott Joule (1818–1889), egy manchesteri sörfőző az elektromágneses eszközök feltalálásával kezdte. Ezek az eszközök és a hozzájuk kapcsolódó jelenségek a fizikai erők változékonyságának konkrét, szemléletes megnyilvánulásaivá váltak. Mindenekelőtt Joule az elektromos áram általi hőleadás törvényeit vizsgálta. Mivel a galvánforrásokkal végzett kísérletek (1841) nem tették lehetővé annak megállapítását, hogy a vezetőben folyó áram által kifejtett hő csak az akkumulátorban zajló kémiai reakciók átvitt hője-e, Joule úgy döntött, hogy kísérletet végez indukciós árammal.

Vízzel zárt edénybe vasmagos tekercset helyezett, a tekercs végeit érzékeny galvanométerrel kötötték össze. A tekercset egy erős elektromágnes pólusai között forgásba hajtottuk, amelynek tekercselésein keresztül áramot vezettek az akkumulátorból. A tekercs percenkénti forgási sebessége elérte a 600-at, miközben az elektromágneses tekercs negyedóráig zárt, negyedóráig nyitva volt. A második esetben a súrlódás következtében felszabaduló hőt levontuk az első esetben felszabaduló hőből. Joule megállapította, hogy az indukciós áramok által termelt hő mennyisége arányos az áram négyzetével. Mivel ebben az esetben az áramok mechanikai mozgás eredményeként keletkeztek, Joule arra a következtetésre jutott, hogy mechanikai erők felhasználásával hőt lehet létrehozni.

Továbbá Joule, a kéz forgását a zuhanó súly által előidézett forgással helyettesítve, megállapította, hogy „az a hőmennyiség, amely 1 font vizet 1 fokkal felmelegít, megegyezik olyan mechanikai erővel, amely azzá alakítható. 838 fontot képes felemelni 1 láb függőleges magasságba. Ezeket az eredményeket „A magnetoelektromosság termikus hatásáról és a hő mechanikai jelentőségéről” című munkájában foglalta össze, amelyről a British Association fizika és matematika szekciója számolt be 1843. augusztus 21-én.

Végül 1847–1850 munkáiban Joule kidolgozta fő módszerét, amely a fizika tankönyvekbe is bekerült. Ez adja a hő mechanikai megfelelőjének legtökéletesebb meghatározását. A fém kalorimétert egy fapadra szerelték fel. A kaloriméter belsejében van egy tengely, amely a pengéket vagy a szárnyakat hordozza. Ezek a szárnyak függőleges síkban helyezkednek el, amelyek 45 fokos szöget zárnak be egymással (nyolc sor). Az oldalfalakhoz sugárirányban négy sor lemez van rögzítve, amelyek nem zavarják a lapátok forgását, de megakadályozzák a teljes víztömeg mozgását. Hőszigetelési célból a fém tengelyt egy fahenger két részre osztja. A tengely külső végén egy fahenger található, amelyre két kötél van feltekerve azonos irányban, a henger felületét ellentétes pontokon hagyva. A kötelek végei rögzített tömbökhöz vannak rögzítve, amelyek tengelyei könnyű kerekeken nyugszanak. A kötelek a tengely köré vannak tekercselve, terheket hordozva. A teheresés magasságát lécekkel mérik.

Ezután Joule meghatározta az egyenértéket az öntöttvas öntöttvashoz való dörzsölése során felszabaduló hő mérésével. A kaloriméterben egy tengelyen forgó öntöttvas lemez. A tengely mentén szabadon csúszó gyűrűk keretet, csövet és korongot hordoznak, amelyeket úgy alakítottak ki, hogy illeszkedjenek egy öntöttvas lemezhez. A rúd és a kar segítségével nyomást gyakorolhat, és a lemezhez nyomja a lemezt. Joule utoljára 1878-ban mérte a mechanikai egyenértéket.

Mayer számításai és Joule kísérletei véget vetettek egy kétszáz éves vitának a hő természetéről. A hő és a munka egyenértékűségének empirikusan bizonyított elve a következőképpen fogalmazható meg: minden olyan esetben, amikor a hőből munka jelenik meg, a kapott munkával megegyező hőmennyiség költ el, és fordítva, a munka elhasználásakor ugyanannyi hőt kapunk. Ezt a következtetést a termodinamika első törvényének nevezték.

E törvény szerint a munka hővé alakítható, és fordítva - a hő munkává. Ráadásul mindkét mennyiség egyenlő egymással. Ez a következtetés érvényes a termodinamikai ciklusra, amelyben a rendszert a kezdeti állapotba kell hozni. Így minden körkörös folyamatnál a rendszer által végzett munka megegyezik a rendszer által kapott hővel.

A termodinamika első törvényének felfedezése bebizonyította, hogy lehetetlen feltalálni egy örökmozgót. Eleinte az energiamegmaradás törvényét úgy hívták, hogy „az örökmozgás lehetetlen”.

A tömegmegmaradás törvénye az emberi tevékenység minden területén zajló fizikai folyamatok kiszámításának alapja. Érvényességét nem vitatják sem fizikusok, sem kémikusok, sem más tudományok képviselői. Ez a törvény a szigorú könyvelőhöz hasonlóan biztosítja, hogy egy anyag pontos tömege megmaradjon más anyagokkal való kölcsönhatás előtt és után is. A törvény felfedezésének megtiszteltetése M. V. Lomonoszov orosz tudósé.

Kezdeti ötletek az anyagok összetételéről

Az anyag szerkezete évszázadokon át minden ember számára rejtély maradt. Különféle hipotézisek izgatták a tudósok elméjét, és hosszadalmas és értelmetlen vitákra késztették a bölcseket. Az egyik azzal érvelt, hogy minden tűzből áll, a másik teljesen más álláspontot képviselt. Az ókori görög bölcs Démokritosz elmélete, amely szerint minden anyag apró, szemnek láthatatlan, apró anyagrészecskékből áll, átvillant az elméletek tömegén, és méltatlanul feledésbe merült. Démokritosz „atomoknak” nevezte őket, ami azt jelenti, hogy „oszthatatlan”. Sajnos feltételezése 23 évszázadra feledésbe merült.

Aranycsinálás

A középkor tudományos adatai alapvetően előítéleteken és különféle sejtéseken alapultak. Felbukkant és széles körben elterjedt az alkímia, amely szerény gyakorlati ismeretek halmaza volt, szorosan ízesítve a legfantasztikusabb elméletekkel. Például az akkori híres elmék megpróbálták az ólmot arannyá alakítani, és megtalálni egy ismeretlen bölcsek kövét, amely minden betegséget meggyógyított. A keresés során fokozatosan felhalmozódott a tudományos tapasztalat, amely a kémiai elemek megmagyarázhatatlan reakcióiból állt. Például azt találták, hogy sok, később egyszerűnek nevezett anyag nem bomlik le. Így újjáéledt az anyag oszthatatlan részecskéinek ősi elmélete. Nagy elme kellett ahhoz, hogy ezt az információtárat koherens és logikus elméletté alakítsuk.

Lomonoszov elmélet

A kémia precíz kvantitatív kutatási módszerét M. V. Lomonoszov orosz tudósnak köszönheti. Ragyogó képességeiért és kemény munkájáért kémiaprofesszori címet kapott, és az Orosz Tudományos Akadémia tagja lett. Alatta szervezték meg az ország első modern kémiai laboratóriumát, amelyben felfedezték az anyagtömeg megmaradásának híres törvényét.

A kémiai reakciók lefolyásának tanulmányozása során Lomonoszov lemérte a kiindulási vegyszereket és a reakció után megjelenő termékeket. Ugyanakkor felfedezte és megfogalmazta az anyagtömeg megmaradásának törvényét. A 17. században a tömeg fogalmát gyakran összekeverték a "súly" kifejezéssel. Ezért az anyagok tömegeit gyakran „mérlegnek” nevezték. Lomonoszov megállapította, hogy egy anyag szerkezete közvetlenül függ azoktól a részecskéktől, amelyekből felépül. Ha azonos típusú részecskéket tartalmaz, akkor a tudós egyszerűnek nevezte az ilyen anyagot. Ha a sejttestek összetétele heterogén, összetett anyagot kapunk. Ezek az elméleti adatok lehetővé tették Lomonoszov számára, hogy megfogalmazza a tömegmegmaradás törvényét.

A jog definíciója

Számos kísérlet után M. V. Lomonoszov törvényt hozott létre, amelynek lényege a következő volt: a reakcióba belépő anyagok tömege megegyezik a reakcióból származó anyagok tömegével.

Az orosz tudomány ezt a posztulátumot „Lomonoszov anyagtömeg megmaradás törvényének” nevezi.

Ezt a törvényt 1748-ban fogalmazták meg, és a fémek lezárt edényekben történő égetésének reakciójával a legpontosabb kísérleteket 1756-ban végezték.

Lavoisier kísérletei

Az európai tudomány a nagy francia kémikus, Antoine Lavoisier munkásságának leírása után fedezte fel a tömegmegmaradás törvényét.

Ez a tudós bátran alkalmazta kísérletei során az akkori elméleti koncepciókat és fizikai módszereket, ami lehetővé tette számára, hogy kidolgozzon egy kémiai nómenklatúrát, és létrehozza az összes akkor ismert kémiai anyag regiszterét.

Lavoisier kísérleteivel bebizonyította, hogy bármely kémiai reakció során betartják a vegyületbe belépő anyagok tömegének megmaradásának törvényét. Ezenkívül kiterjesztette a megmaradás törvényének kiterjesztését minden olyan elem tömegére, amelyek komplex anyagok részeként vettek részt a reakcióban.

Így arra a kérdésre, hogy ki fedezte fel az anyagok tömegének megmaradásának törvényét, kétféleképpen is megválaszolható. M. V. Lomonoszov volt az első, aki olyan kísérleteket végzett, amelyek egyértelműen bemutatták a természetvédelmi törvényt, és elméleti alapokra helyezték. A. Lavoisier 1789-ben, az orosz tudóstól függetlenül, önállóan fedezte fel a tömegmegmaradás törvényét, és kiterjesztette annak elvét a kémiai reakcióban részt vevő összes elemre.

Tömeg és energia

1905-ben a nagy A. Einstein kimutatta az összefüggést egy anyag tömege és energiája között. Ezt a következő képlettel fejezték ki:

Einstein egyenlete megerősíti a tömeg- és energiamegmaradás törvényét. Ez az elmélet azt állítja, hogy minden energiának van tömege, és ennek az energiának a változása változást okoz a test tömegében. Bármely test potenciális energiája nagyon magas, és csak speciális körülmények között szabadulhat fel.

A tömegmegmaradás törvénye a mikro- és makrokozmosz bármely testére érvényes. Bármely kémiai reakció részt vesz az anyag belső energiájának átalakulásában. Ezért a kémiai reakciókban részt vevő anyagok tömegének számításakor figyelembe kellene venni azt a tömegnövekedést vagy -veszteséget, amelyet egy adott reakcióban az energia felszabadulása vagy elnyelése okoz. Valójában a makrokozmoszban ez a hatás annyira jelentéktelen, hogy az ilyen változások figyelmen kívül hagyhatók.

Az energia megmaradásának és átalakulásának törvényének felfedezése.

V. I. Lenin rámutatott, hogy a tudás fejlődése spirálisan megy végbe. Eljön az idő, amikor a tudomány visszatér a már kifejtett gondolatokhoz. De ez a visszatérés egy új, magasabb szinten megy végbe, amit a tudás hosszú történelmi tapasztalata előzött meg. Lenin rámutatott, hogy a domináns eszmék megőrzésére, a tudomány egyenes irányú mozgásának folytatására tett kísérletek a tudás megcsontosodásához, reakcióhoz, idealizmushoz vezetnek. Lenin gondolatait a tudás fejlődéséről ragyogóan megerősíti az energiamegmaradás törvényének felfedezésének története.

A hővel, mint a legkisebb „érzéketlen” anyagrészecskék mozgási formájával kapcsolatos nézeteket már a 17. században megfogalmazták. f. Bacon, Descartes, Newton, Hooke és sokan mások arra a gondolatra jutottak, hogy a hő az anyagrészecskék mozgásával függ össze. De Lomonoszov ezt az elképzelést teljes teljességgel és biztonsággal kidolgozta és megvédte. Egyedül azonban kortársai a kalóriafogalom oldalára álltak, és amint láttuk, ezt a koncepciót a 19. század számos kiváló tudósa osztotta.

A kísérleti termofizika és mindenekelőtt a kalorimetria sikerei a kalória mellett tanúskodtak. De ugyanaz a XIX. vizuális bizonyítékot hozott a hő és a mechanikai mozgás közötti kapcsolatra. Természetesen ősidők óta ismert az a tény, hogy a súrlódás hatására hő keletkezik. A hő hívei ebben a jelenségben valami hasonlót láttak, mint a testek súrlódás általi villamosítása - a súrlódás segít kiszorítani a kalóriát a testből. 1798-ban azonban Benjamin Thompson (1753-1814), aki 1790-ben Rumfoord gróf lett, fontos megfigyelést tett a müncheni katonai műhelyekben: az ágyúcsőben csatorna fúrásakor nagy mennyiségű hő szabadul fel. A jelenség pontos vizsgálata érdekében Rumfoord csatorna fúrásával kísérletezett fegyverfémből megmunkált hengerben. A fúrt csatornába tompa fúrót helyeztek, szorosan a csatorna falaihoz nyomták és forgásba állítottuk. A hengerbe helyezett hőmérő azt mutatta, hogy a működést követő 30 percen belül a hőmérséklet 70 Fahrenheit-fokkal emelkedett. Rumfoord megismételte a kísérletet úgy, hogy a hengert és a fúrót vízes edénybe merítette. A fúrási folyamat során a víz felmelegedett és 2,5 óra múlva felforrt. Rumfoord ezt a kísérletet annak bizonyítékának tekintette, hogy a hő a mozgás egyik formája.

Davy megismételte a súrlódással hőszerzéssel kapcsolatos kísérleteit. Két darabot egymáshoz dörzsölve olvasztott jeget. Davy arra a következtetésre jutott, hogy a kalóriahipotézist el kell hagyni, és a hőt az anyagrészecskék rezgő mozgásának kell tekinteni. Ezt a hipotézist Jung támogatta. 1837-ben Friedrich Mohr (1806-1879) német gyógyszerész (1867 óta a gyógyszertan professzora) elküldte az Annalen der Physik Poggendorff folyóirat szerkesztőjének „A hő természetéről” című cikket. Nem fogadta el, arra hivatkozva, hogy a cikk nem tartalmazott új kísérleti tanulmányokat. Ebben világosabban jelezte, hogy a hő a mozgás egyik formája.

Láttuk, hogyan vitatkozott Faraday az érintkezéselmélet híveivel 1839-1840-ben. Faraday gondolkodásmódja élesen eltért a hivatásos tudósokétól. Ezért joggal állíthatjuk, hogy az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye nem érett meg a fizikusok körében. A nagy törvény elfogadásában pedig nem a szakemberek játszottak döntő szerepet. Mayer doktor, Joule sörfőző, Helmholtz doktor – ez az a három ember, akiknek a tudománytörténet örökre biztosította az energia megmaradásának és átalakulásának törvényének felfedezőinek dicsőségét.

Mayer. Julius Robert Mayer 1814. november 25-én született Heilbronnban, gyógyszerész családjában. Orvosi végzettséget kapott, és hajóorvosként ment a szigetre. Java (előtte több hónapig párizsi klinikákon dolgozott). Egy éves utazás (1840-1841) során Mayer orvos nagy felfedezésre jutott. Elmondása szerint ezt a következtetést a trópusokon élő emberek vérszínének változásaira vonatkozó megfigyelések indokolták. A bataviai úton lévő számos vérvétel során Mayer észrevette, hogy „a kéz vénájából kiszabaduló vér olyan rendkívüli vörösséget mutatott, hogy a színe alapján azt hihettem volna, hogy egy artériát ütöttem el”. Ebből arra a következtetésre jutott, hogy „a test saját hője és a környezet hője közötti hőmérséklet-különbségnek mennyiségi viszonyban kell lennie mindkét vérfajta, azaz az artériás és a vénás vér színének különbségével... Ez a színkülönbség egy az oxigénfogyasztás mennyiségének vagy a szervezetben fellépő égési folyamat erőinek kifejezése."

Mayer idejében széles körben elterjedt a test életerejének (vitalizmusának) tana. Az élő szervezet egy különleges életerő jelenléte miatt működik. Így a fiziológiai folyamatok kikerültek a fizikai és kémiai törvények köréből, és egy titokzatos életerő határozta meg őket. Mayer megfigyelései révén megmutatta, hogy a testet a természetes fizikai és kémiai törvények szabályozzák, és mindenekelőtt az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye. Az útról visszatérve azonnal cikket írt „Az erők mennyiségi és minőségi meghatározásáról” címmel, amelyet 1841. június 16-án küldött el az „Annals...” folyóiratba Poggendorffnak. A cikket nem adta ki, és nem adta vissza a szerzőnek, 36 évig hevert az íróasztalán, ahol Poggendorff halála után fedezték fel.

Poggendorffnak megvolt az oka, hogy keményen viszonyuljon Mayer munkájához. A remek ötlet máig tisztázatlan formában jelenik meg benne a cikk homályos, sőt téves állításokat tartalmaz. Ugyanakkor ragyogó kijelentéseket tartalmaz, amelyek arról tanúskodnak, hogy Mayer világosan megértette az általa tett felfedezés nagyszerűségét. Azzal az általános kijelentéssel kezdődik, hogy "minden jelenséget levezethetünk valamilyen elsődleges erőből, amely a meglévő különbségek lerombolására és minden dolognak egy matematikai ponton homogén tömeggé egyesítése felé hat." Mayer szerint ezért a világban minden mozgást és változást „különbségek” generálnak, amelyek e különbségek lerombolására törekvő erőket szülnek. De a mozgás nem áll meg, mert az erők elpusztíthatatlanok és helyreállítják a különbségeket. „Így az az elv, amely szerint az egyszer adott erők mennyiségileg megváltoztathatatlanok, akárcsak a szubsztanciák, logikusan biztosítja számunkra a különbségek, tehát az anyagi világ fennmaradását.”

Ez a Mayer által javasolt megfogalmazás könnyen bírálható. A „különbség” fogalma nincs pontosan meghatározva, nem világos, hogy mit kell érteni az „erő” alatt. Ez a törvény előérzete, és nem maga a törvény. De a további bemutatásból kitűnik, hogy az erővel megérti a mozgás okát, amit a tömeg és a sebesség szorzatával mérnek. De az okokat a kiváltott hatással mérik, ezért „az MC e szorzata is pontosan kifejezi az V erőt; V = MC-t teszünk. Nyilvánvaló Mayer tévedése, amikor összekeverte a lendületet az „erővel”, amivel később megérti a „mozgás energiáját”. Figyelemre méltó azonban, hogy figyelembe véve két azonos tömegű, azonos sebességgel egymás felé haladó test ütközését, Mayer a mechanikai mozgás eltűnését írja le a 0 („nulla”) operátor által, és úgy véli, hogy a mozgás 2AC (A a a testek tömege, C a sebesség) abszolút rugalmatlan ütközéskor nem tűnt el, hanem egy másik formába fordult, amit 02AC, majd valamivel később 02MC szimbólummal jelöl. Mayer úgy véli, hogy ez a mozgásforma a hő, és ezt írja: „A semlegesített mozgás 02MC, mivel a mozgás valójában nem ellentétes irányú, a hő kifejezéseként szolgál.

A mozgás, a hő, és amint azt később bemutatni kívánjuk, az elektromosság egy erőre redukálható jelenségek, amelyek egymás által mérve bizonyos törvények szerint átalakulnak egymásba."

Ez egy nagyon határozott és világos megfogalmazása az erő, azaz az energia megmaradásának és átalakulásának törvényének. Az idézet első felében Mayer egy rugalmatlan ütközés során a törvény alkalmazásának egy konkrét esetéről beszél („mivel a mozgások valójában nem ellentétes irányúak”), az eltűnt mechanikai mozgás hővé alakul át. Amit Descartes és főleg Lomonoszov gondolt, azt Mayer most teljes kategorikusan fejezi ki: „... Az ebből eredő hőség – írja – arányos az eltűnt mozgalommal. Ebben a befejezetlen munkában azonban Mayer nem számszerűsíti a hő mechanikai megfelelőjét. Ez az értékelés Mayer következő munkájában, a „Megjegyzések az élettelen természet erőiről” címmel jelent meg, amely az Annalen der chemie und Pharmazie 1842-ben jelent meg.

Mayer itt arra vállalkozik, hogy tisztázza az „erő” fogalmát, és megtalálja a köztük lévő kapcsolatot. Mivel Mayer szerint az erők okok, az általános filozófiai álláspont érvényes rájuk: „... causa aequat effectum (az ok egyenlő a cselekvéssel). Mivel az okok és tettek láncolatának egyetlen tagja sem lehet nulla, az erők elpusztíthatatlanok. Ugyanakkor a különböző okok ugyanannak a lényegnek a megnyilvánulásai. „...Az okok – mondja Mayer – (mennyiségileg) elpusztíthatatlanok, és (minőségileg) képesek az objektumok átalakítására. Mayer szerint a természetben kétféle ok létezik: anyagi és erők. "Az erők tehát: elpusztíthatatlanok, átalakulni képesek, súlytalan tárgyak."

Ilyen objektumok közé tartozik a „...súlyos tárgyak térbeli különbsége”, vagyis az, amit ma egy nehéz test potenciális energiájának nevezünk egy gravitációs térben. Mayer hangsúlyozza, hogy ehhez az erőhöz, amelyet esési erőnek nevez, az emelés nem kevésbé szükséges, mint a test súlya, és a testek leesése nem tudható be csak a gravitáció hatásának. A zuhanóerő eltűnése együtt jár az élőerő megjelenésével, amelyet Mayer a tömeg és a sebesség négyzetének szorzatával mér. Az élőerők megmaradásának törvénye a mechanikában Mayer szerint „az okok elpusztíthatatlanságának általános törvényén” alapul.

Azonban „végtelen számú esetben” az esés ereje nem válik mozgássá vagy teheremeléssé, és Mayer felteszi a kérdést: „Milyen további formája az az erőnek, amelyet zuhanási, ill. mozgatni képes?" Erre a kérdésre a tapasztalat adja meg a választ, amely azt mutatja, hogy a súrlódás hőt termel. „...Az eltűnő mozgásra – mondja Mayer –, sok esetben... a hőn kívül más hatást nem találhatunk, a felbukkanó hőnek pedig a mozgáson kívül más okot...” Mayer ezt az elképzelést nagyon jól illusztrálja A korának modern példája a mozdonyra: „A mozdonyt a szerelvényével egy desztilláló berendezéshez lehet hasonlítani: a kazán alatt feloldott hő mozgássá alakul, és ez hőként ismét a keréktengelyeken rakódik le.”

A kibontakozóban lévő hőtechnika, amely Carnot számára figyelemreméltó munkásságának témáját sugallta, az energia megmaradás és átalakulás törvényének megalkotói számára is nagy ötletüket sugallta. Mayer első nyomtatott munkájában megjelent mozdony képe egyértelműen ezt igazolja.

Továbbá Mayer felteszi a kérdést, hogy „mekkora hőmennyiség felel meg egy bizonyos mértékű esési erőnek vagy mozgásnak”, vagyis felteszi a munka termikus megfelelőjének kérdését. És felhasználva a gázok állandó nyomású és állandó térfogatú hőkapacitása közötti összefüggést, arra a következtetésre jut, hogy „egy súlyegység leengedése körülbelül 365 m magasságból egyenlő tömegű víz 0-ról 1°-ra való felmelegítésének felel meg. ” Így Mayer egy abszolút helyes módszert jelölt meg a hő mechanikai egyenértékének meghatározására, és helyesen becsülte meg annak sorrendjét (ahogy Carnot is tette). A tudománytörténet felfigyelt Mayer érdemére, és a cp - cV = R egyenletet „Mayer egyenletének” nevezte el.

Különösen figyelemre méltó, hogy Mayer abszolút helyes következtetést vont le eredményéből a gőzgépek tökéletlenségére vonatkozóan. „Ha ezzel az eredménnyel összevetjük legjobb gőzgépeink jótékony hatását – írja –, látni fogjuk, hogy a kazán alatt elosztott hőnek csak nagyon kis része válik ténylegesen mozgásba vagy teheremelésbe...” És itt Mayer figyelemreméltó előrejelzést ad arról, hogy „előnyösebb módot kell keresni a mozgás megszerzésére más módon, mint a C és 0 közötti kémiai különbség felhasználásával, nevezetesen a kémiai úton kapott elektromosság mozgássá alakításával”.

A modern elektromos mozdonyok, amelyek a mozdonyokat váltották fel, megerősítették Mayer igazát. De megoldatlan marad az a feladat, hogy az autók és traktorok belső égésű motorjait kényelmes és gazdaságos vegyi forrásokkal hajtott villanymotorokra cseréljék. Összefoglalva azt mondhatjuk, hogy az „erő”, az élőerő helytelen mértéke (ehelyett) kétértelműsége ellenére Mayernek ezt a munkáját joggal tekintik alapvetőnek az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye történetében. Különösen fontos Mayer elképzelése az erők (energia) minőségi átalakulásáról a mennyiségi megőrzésük megőrzése mellett. Mayer az 1845-ben Heilbronnban megjelent „Szerves mozgás az anyagcserével kapcsolatban” című brosúrában részletesen elemzi az energiaátalakítás minden lehetséges formáját. amelyet az 1842-es cikk publikáltak ., de Liebig szerkesztő a folyóirat vegyi cikkekkel való túlterheltségére hivatkozva azt tanácsolta, hogy küldjék el a cikket Poggendorff Annalsába. Mayer, felismerve, hogy Poggendorff ugyanúgy kezeli, mint az 1841-es cikket, úgy döntött, hogy saját költségén röpiratként adja ki a cikket.

Így Mayer első cikke egyáltalán nem jelent meg, a második egy fizikusok által nem olvasott kémiai folyóiratban, a harmadik pedig egy magánfüzetben jelent meg. Teljesen világos, hogy Mayer felfedezése nem jutott el a fizikusokhoz, és a megmaradási törvényt tőle függetlenül és más módon fedezték fel más szerzők, elsősorban Joule és Helmholtz. Az is természetes, hogy Mayer olyan vitába keveredett az elsőbbség körül, amely fájdalmasan érintette őt.

Térjünk vissza Mayer brosúrájához. Azzal kezdődik, hogy rámutat arra, hogy a matematikát széles körben alkalmazták a technológiában és a természettudományban, „mint a természettudományi kutatás erős tengelye”. A biológiában azonban jelentéktelen a befolyása „a matematikai fizika és a fiziológia közötti szakadék egyértelműen érezhető”. Mayer esszéjének célja „olyan módszer kidolgozása, mellyel közelebb lehet hozni ezt a két tudományt...”

Ismét el lehet csodálkozni Mayer éleslátásán és bátorságán, hogy célt választott. Csak napjainkban, a kibernetikai módszerek bevezetésének köszönhetően kezdődött el a biológia, a matematika és a technológia konvergenciája, amelyre Mayer gondolt.

Mayer az erő fogalmának tisztázásával kezdi, hogy a mechanika gondolatait a fiziológiára alkalmazza. És itt ismét megismétli a semmiből fakadó mozgás lehetetlenségének gondolatát "Ex nihilo nil fit" ("semmi sem jön a semmiből"), az erő a mozgás oka, a mozgás oka pedig egy elpusztíthatatlan tárgy. . „Az adott mennyiségi megváltoztathatatlansága a legfőbb természeti törvény, amely egyformán kiterjed az erőre és az anyagra” – hirdeti Mayer. Ez a megfogalmazás feltűnően emlékeztet Lomonoszov „egyetemes törvényének” megfogalmazására, amelyet „a mozgás szabályaira” terjesztett ki.

Vegyük észre, hogy Lomonoszov és Mayer az egyetemes megőrzési törvényt, mint a „legfelsőbb természeti törvényt” hirdeti, a modern tudomány elfogadja, amely számos konkrét megőrzési törvényt fogalmaz meg a tudományos kutatás fő pilléreként.

Mayer az anyag megmaradásának törvényét a kémia, az erőmegmaradás törvényét a fizika kiváltságának tekinti. „Amit a kémia az anyaggal, a fizika az erővel” – írja Mayer. Azt mondja, hogy a fizika egyetlen feladata az erő különböző formáinak vizsgálata, átalakulásának feltételeinek tanulmányozása. Ha tehát Mayer szerint a kémia az anyag átalakulásának tudománya, akkor a fizika az erő, azaz az energia átalakításának tudománya.

Mayer pamfletjében az erő különböző formáit sorolja fel. Ez egyrészt a „mozgás élő ereje”, vagyis a mozgó tömegek mozgási energiája. Mayer a második helyre helyezi a „zuhanó erőt”, vagyis a felemelt teher potenciális energiáját. „Az esés erejének nagyságát a súly és egy adott magasság szorzatával mérjük; a mozgás nagysága a mozgó tömeg és a sebesség négyzetének szorzata. Mindkét erőt egy közös név is egyesíti: „mechanikai hatás”.

Mayer kitart amellett, hogy kihagyja az 1/2 tényezőt a kinetikus energia kifejezésében, de helyesen keveri össze a potenciális és a kinetikus energiát, mint a mechanikai energia két formáját (mechanikai hatás).

Miután megemlítette az ember történelmi feladatát: a természeti erőket a mozgás megszerzésére használni, Mayer a következő szavakkal jellemzi korabeli technikai gyakorlatát: „Az új idő sorsa volt, hogy a régi erőket újabb erővel egészítse ki. világ - mozgó levegő és zuhanó víz. Ez az új erő, amelynek tetteit századunk emberei meglepetten nézik, a hőség.” Mayer pedig kijelenti: „A hő erő: mechanikai hatásgá alakítható.” Mai nyelven Mayernek ez a kijelentése azt mondja: a hő energia, képes mechanikai munkát végezni. Kiszámolja a vonatot húzó mozdony munkáját, és kijelenti: "A mozdonyban ható erő a hő."

Mayer részletesen kiszámítja a hő mechanikai egyenértékét egy gáz hőkapacitásainak különbségéből (ezt a számítást gyakran leírják az iskolai fizika tankönyvek), és megtalálja Delaroche és Bérard, valamint Dulong mérései alapján, akik meghatározták az arányt. a levegő hőkapacitása 367 kgf m/kcal. 1 kgf egy korábban használt munkaegység. Ez egyenlő 9,8 J-val.)

Mayer a szén fűtőértékéről közöl adatokat, és felhívja a figyelmet a hőgépek alacsony hatásfokára, amelyek maximális értéke a modern gépekben 5-6% volt, a mozdonyokban pedig nem érte el az egy százalékot.

Mayer ezután áttér az elektromosságra. A súrlódás általi villamosítást, az elektrofor hatását veszi figyelembe, és rámutat, hogy itt „a mechanikai hatás elektromossággá alakul át”. A mágnesesség rövid tárgyalása után arra a következtetésre jut: a mechanikai hatás ráfordítása elektromos és mágneses feszültséget is okoz. Mayer elemzéséből itt hiányzik az a teljesség és egyértelműség, amely a hő és a mechanikai mozgás közötti kapcsolat elemzésében megtalálható. Az elektromosságot és a mágnesességet még nem vizsgálták olyan részletesen, mint a hőt, az elektromos mérések minőségi jellegűek voltak, és az alapfogalmak sem voltak egyértelműen kidolgozva. Meg kell lepődni Mayer ragyogó intuícióján, aki rájött, hogy ezek a folyamatok engedelmeskednek az energiamegmaradás törvényének.

Mayer „kémiai erővel” zárja elemzését. Érdekes, hogy a kémiai energia kérdését ötvözi a Naprendszer energiájának kérdésével. Felhívja a figyelmet arra, hogy a napenergia (erő) áramlása, amely a Földünkön is megjelenik, „az a folyamatosan kanyargó rugó, amely a Földön mozgásban lévő összes tevékenység mechanizmusát fenntartja”. Mayer felvázol egy képet a földi életet biztosító mechanizmusról, a víz és a levegő körforgásáról a napfény hatására, valamint a napenergia felhalmozódásáról az életfolyamatokhoz.

„A természet – írja Mayer – azt a feladatot tűzte ki maga elé, hogy felfogja a repülés közben a Földre ömlő fényt, és a legmozgékonyabb erőt felhalmozza, mozdulatlan állapotba hozza. E cél elérése érdekében olyan élőlényekkel borította be a földkérget, amelyek életük során elnyelik a napfényt, és ezt az erőt felhasználva kémiai különbségek állandóan megújuló összegét generálják. Ezek az élőlények növények.”

Így Mayer feltárta a növények kozmikus szerepét, és a tudomány elé tárta a fotoszintézis problémáját. Nem ok nélkül ihlette meg a napenergia élő szervezetekben való átalakulásának elemzésével foglalkozó könyvének sorai a nagy orosz tudóst, K. A. Timirjazevet, aki a „Nap, élet és klorofill” című könyvét egy ebből származó epigráfiával ihlette meg. Mayer cikke. Timirjazev ebben a könyvében hangsúlyozta, hogy „a szén-asszimiláció folyamata Mayer szemszögéből nézve új és még szélesebb érdeklődésre tesz szert”.

Mayer 1848-ra fejezte be elképzeléseinek kidolgozását, amikor „Az ég dinamikája népszerû prezentációban” című brosúrában felvetette és megkísérelte megoldani a napenergia forrásával kapcsolatos legfontosabb problémát. Mayer rájött, hogy a kémiai energia nem elegendő a Nap hatalmas energiafelhasználásának pótlására. A többi energiaforrás közül azonban az ő idejében csak a mechanikai energiát ismerték. Mayer pedig arra a következtetésre jutott, hogy a Nap melegét a környező térből folyamatosan minden oldalról ráhulló meteoritok bombázása pótolja. Mayer 1851-es munkájában, a „Megjegyzések a hő mechanikai egyenértékéről” című művében röviden és népszerűen felvázolja az erő megőrzésével és átalakításával kapcsolatos elképzeléseit. Itt védi meg először elsőbbségét. Elismeri, hogy a felfedezés véletlenül történt (Jáván történt megfigyelés), de „még mindig az én tulajdonom, és nem habozok megvédeni elsőbbségi jogomat”. Hivatkozik 1842-es cikkére, idézi, megadja a hő mechanikai megfelelőjének jelentését, kifejti nézeteit az erőről, amelyet később energiának nevez. Mayer továbbá rámutat arra, hogy az energiamegmaradás törvényét, „valamint annak számszerű kifejezését, a hő mechanikai megfelelőjét szinte egyidejűleg tették közzé Németországban és Angliában”. Rámutat Joule kutatásaira, és elismeri, hogy Joule „feltétel nélkül, függetlenül fedezte fel” az energia megmaradásának és átalakulásának törvényét, és „számos fontos eredménnyel köszönheti ennek a törvénynek a további alátámasztását és továbbfejlesztését”. Mayer azonban nem hajlandó lemondani elsőbbségi jogáról, és rámutat, hogy magukból a műveiből is kitűnik, hogy nem hajszolja a hatást. Ez azonban nem jelenti a tulajdonhoz fűződő jogok feladását.

Az elsőbbségről szóló kijelentéseinek nyugodt és méltóságteljes hangvétele elfedi azt a mély lelki traumát, amelyet K. A. Timiryazev szerint „a bolti tudósok kicsinyes irigysége” és a „környezet tudatlansága” okozott neki. Elég az hozzá, hogy 1850-ben úgy próbált öngyilkos lenni, hogy kiugrott az ablakon, és élete végéig sánta maradt. Az újságok üldözték, a szerény és becsületes tudóst nagyságtévesztéssel vádolták, és egy pszichiátriai kórházban kényszer „kezelésnek” vetették alá. K. A. Timirjazev felháborodva írt azokról, akik üldözték Mayert és megbénították az életét, „csak azért, mert briliáns tudós volt az őt körülvevő szánalmas középszerűség közepette”.

Mayer 1878. március 20-án halt meg. Nem sokkal halála előtt, 1874-ben „Hőmechanika” címmel jelent meg munkáinak gyűjteménye az energia megmaradásának és átalakulásának törvényéről. 1876-ban jelentek meg utolsó munkái „A Torricelli-ürességről” és az „Az erők felszabadításáról”.

Joule. Mayernek az energiamegmaradás törvényének széleskörű, filozófiai megértése, valamint a törvénynek az élet és a tér jelenségeire való általánosítása összezavarta a fizikusokat, és metafizikai reflexióknak tekintették őket. De Joule kísérletei, amelyeket egyidejűleg és Mayertől függetlenül végeztek, szilárd kísérleti alapot biztosítottak Mayer általánosításaihoz.

James Prescott Joule, manchesteri sörfőző, egy nagy sörfőzde tulajdonosa 1818. december 24-én született. Korán elkezdte érdekelni az elektromos kutatás és az elektromos készülékek tervezése, amelyet szisztematikusan leírt egy kis speciális folyóiratban. 1841 októberében a Filozófiai Magazinban közölt egy cikket az elektromos áram hőhatásáról, amelyben megállapította, hogy egy vezetőben az áram által termelt hőmennyiség arányos az áram négyzetével.

Jóval a Joule előtt hasonló kutatásba kezdett E.Kh. szentpétervári akadémikus. Lenz, aki 1843-ban adta ki munkáját „A galvánárammal történő hőtermelés törvényeiről” címmel. Lenz megemlíti Joule munkáját, akinek publikálása megelőzte Lenzét, de úgy véli, hogy bár eredményei „lényegében megegyeznek Joule-éval”, mentesek a Joule munkája által felvetett jogos kifogásoktól.

Lenz alaposan átgondolta és kidolgozta a kísérleti módszertant, tesztelte és ellenőrizte a számára árammérőként szolgáló érintő galvanométert, meghatározta az általa használt ellenállás mértékegységét (emlékezzünk arra, hogy az Ohm-törvény ekkor még nem került általános használatba), valamint az áram és az elektromotoros erő mértékegységei, ez utóbbit áram- és ellenállásegységekkel fejezve ki.

Lenz alaposan tanulmányozta az ellenállások viselkedését, különös tekintettel az úgynevezett „átmeneti ellenállás” meglétére a szilárd halmazállapotból folyadékká való átmenet során. Ezt a koncepciót néhány fizikus vezette be egy olyan korszakban, amikor Ohm törvénye még nem volt általánosan elfogadott. Ezután áttért a fő kísérletre, amelynek eredményeit a következő két rendelkezésben fogalmazta meg:

"1. A huzal galvanikus árammal történő melegítése arányos a huzal ellenállásával.

2. A huzal galvanikus árammal történő melegítése arányos a fűtéshez használt áram négyzetével.”

Lenz kísérleteinek pontossága és alapossága biztosította a törvény felismerését, amely Joule-Lenz törvény néven lépett be a tudományba.

Joule az elektromos áram általi hőkibocsátással kapcsolatos kísérleteit tette kiindulópontként a hő és a munka kapcsolatának további kutatásához. Már első kísérletei során sejteni kezdett, hogy a galvánelem pólusait összekötő vezetékben keletkező hő az akkumulátorban végbemenő kémiai átalakulások során keletkezik, vagyis elkezdte meglátni a törvény energetikai értelmét. A „Joule-hő” (ahogy ma az elektromos áram által termelt hőt nevezik) eredetének kérdésének további tisztázása érdekében elkezdte tanulmányozni az indukált áram által felszabaduló hőt. „A mágneses elektromosság termikus hatásáról és a hő mechanikai hatásáról” című tanulmányában, amelyet a Brit Szövetség 1843. augusztusi ülésén mutattak be, Joule arra a következtetésre jutott, hogy hőt lehet előállítani mechanikus munkával magnetoelektromossággal (elektromágneses indukció), és ez a hő. arányos a négyzetes indukciós áramerősséggel.

Rizs. 41. A Joule-kísérlet vázlata

Az indukciós gép elektromágnesének ejtősúly segítségével történő forgatásával Joule meghatározta a zuhanó súly munkája és az áramkörben keletkező hő közötti összefüggést. Méréseinek átlagos eredményeként azt találta, hogy "az a hőmennyiség, amely képes egy font vizet egy Fahrenheit-fokra emelni, mechanikai erővé alakítható, amely képes 838 fontot egy láb függőleges magasságba emelni. ." A font és láb mértékegységeit kilogrammokra, méterekre és Fahrenheit-fokra Celsius-fokra konvertálva azt találjuk, hogy a hő mechanikai egyenértéke Joule-val számolva 460 kgf-m / ​​kcal.

Ez a következtetés egy másik, általánosabb következtetéshez vezeti Joule-t, amelyet megígér, hogy további kísérletekben tesztel: „A természet hatalmas erői... elpusztíthatatlanok, és... minden olyan esetben, amikor mechanikai erőt használunk, pontosan egyenértékű hőt kapunk.” Azzal érvel, hogy az állati hő a testben végbemenő kémiai átalakulások eredményeként keletkezik, és maguk a kémiai átalakulások az „atomok lehullásából” eredő kémiai erők hatásának eredményeként ugyanazokra a következtetésekre jutott, amelyekre Mayer korábban levont.

Joule üzenetét hitetlenkedve fogadták a Brit Szövetség ülésén. Joule még nem volt 25 éves, amikor ezekkel az új forradalmi nézetekkel állt elő. Joule azonban folytatta a kutatást, és 1845-ben megjelentette „A levegő páralecsapódása és ritkasága által okozott hőmérséklet-változásokról” című munkáját. Az 1843-as munkához hasonlóan a kísérleti berendezést vízzel töltött edénybe helyezték, amely kaloriméterként szolgált. A berendezés egy nyomószivattyúból és egy sűrített levegős tartályból állt. A levegőt 22 atmoszférára sűrítettük, és megmértük a felszabaduló hőt.

Joule ügyes és átgondolt kísérletezőnek mutatta magát. Lépéseket tett a beáramló levegő állandó hőmérsékletének biztosítására, figyelembe vette a súrlódás által termelt hőt, és a hő mechanikai egyenértékét ebben a kísérletben 795 lábfont/kilokalóriának (436 kgf-m/kcal) találta. Ezután Joule egy vízedénybe helyezett két egyforma edényt, amelyeket egy cső köt össze. Az egyik edényben a levegőt 22 atmoszférára sűrítették, a másikból kiszivattyúzták. Amikor létrejött a kommunikáció a két hajó között, megmértük a víztároló hőmérsékletét. Joule meghatározása szerint változatlan maradt. Ebből a termodinamikai kurzusokon gyakran leírt kísérletből Joule arra a következtetésre jutott, hogy a hő nem lehet anyag, hanem egy test részecskéinek mozgásából áll. A levegő kompressziós melegítésével kapcsolatos számos kísérletből Joule azt találta, hogy a hő mechanikai egyenértéke 438 kgf*m/kcal 798 lábfont/kilogramm.

Az 1845-ös második és az 1847-es munkájában Joule számos kísérletet ír le víz keverésével kaloriméterben. 1850-ben új klasszikus kísérleteket végzett, amelyekből a mechanikai egyenértéket 424 kgf*m/kcal-nak találta.

Joule kísérleteit nagy érdeklődéssel követte a fiatal skót fizikus, William Thomson, a leendő Lord Kelvin. Thomson már 1848-ban úgy vélte, hogy „a hő mechanikai energiává alakítása valószínűleg lehetetlen, és még biztosan nem fedezték fel”. Furcsának tűnik, hogy a gőzgépek, gőzmozdonyok és gőzhajók kortársa a hő mechanikai energiává alakításának lehetetlenségéről beszél, de Thomson láthatóan másról beszél. Ezt írja: „Ez a következtetés levonható mindaz alapján, amit erről a témáról írtak. Ezzel ellentétes álláspontot képvisel a manchesteri Joule, aki számos rendkívül érdekes kísérletet végzett a folyadékok súrlódása során felszabaduló hővel kapcsolatban; Az elektromágnesesség területén néhány jól ismert jelenség nyilvánvalóan a mechanikai energia hőenergiává való átalakulását jelzi, de nem végzett olyan kísérleteket, amelyekben fordított átalakulás történne.

Thomson ismerte Carnot munkáját, tudta, hogy Carnot a kalória szempontjából áll. Azt is tudta, hogy sem Joule, sem senki más nem végzett kísérleteket a hő maradék nélküli munkává alakítására. Így körvonalazódott a termodinamika jövőbeli második főtételének megközelítése. Ennek ellenére Thomsont már mélyen érdekelte Joule munkássága és a 19. század ötvenes évei. híres kísérletet végzett vele, ami a Joule-Thomson nevű hatás felfedezéséhez vezetett.

Joule a 60-as és 70-es években folytatta kísérleteit. 1870-ben tagja lett a hő mechanikai egyenértékét meghatározó bizottságnak. Ebben a bizottságban V. Thomson, Maxwell és más tudósok is részt vettek. De Joule nem korlátozta magát egy kísérletező munkájára. Határozottan a hő kinetikai elméletének álláspontját foglalta el, és a gázok kinetikai elméletének egyik megalapozója lett. Joule e munkájáról később lesz szó.

Mint már említettük, Mayer Joule-t az energia megmaradásának és átalakulásának törvényének egyik felfedezőjének tartotta. De akkor már sokan elsőbbséget követeltek ebben a felfedezésben. Ludwig August Kolding dán mérnök 1843-ban beszámolt a Királyi Koppenhágai Társaságnak a mechanikai munka és a hő arányának meghatározására végzett kísérleteinek eredményeiről, amelyeket 350-nek talált. Mayer említi Holtzmannt, aki 1845-ben kiszámította a hő mechanikai egyenértékét. ugyanazt a módszert használja, mint Mayer. Megnevezhetnénk még számos más nevet is, amelyek valamilyen szinten részt vettek a nagy felfedezésben. Mindez ismét azt bizonyítja, hogy megérett az idő a törvény felfedezésére, és hogy az orvosok, mérnökök és gyártulajdonosok különböző utakon jutottak a felfedezéshez. A céhtudósok nézeteivel ellentétben ez ékesszólóan azt sugallja, hogy az élet és annak igényei a tudományos haladás fő motorjai.

Joule 1889. október 11-én halt meg, öt évvel a „triád” harmadik tagjának, Hermann Helmholtznak a halála előtt.

Helmholtz. Helmholtz a 19. század második felének egyik leghíresebb fizikusa volt, a fizikai tudomány általánosan elismert vezetője.

Hermann Ludwig Ferdinand Helmholtz 1821. augusztus 31-én született egy potsdami gimnáziumi tanár családjában, abban a városban, amely a porosz királyok egykori rezidenciája volt, ugyanabban a Potsdamban, ahol születése után 124 évvel a potsdami konferencia zajlott. , amely a náci Németország vereségét rögzítette.

Helmholtz orvosi végzettséget kapott, 1842-ben megvédett disszertációja az idegrendszer felépítésének volt szentelve. Ebben a munkában a huszonkét éves orvos először bizonyította az idegszövet integrált szerkezeti elemeinek létezését, amelyeket később neuronoknak neveztek.

1843-ban Helmholtz potsdami katonaorvosként kezdte pályafutását. A huszárezred századi sebésze is talált időt a tudományra. 1845-ben Berlinbe ment, hogy orvosi államvizsgára készüljön, és itt szorgalmasan tanult Gustav Magnus házi fizika laboratóriumában.

Helmholtz másik tanára Berlinben a híres fiziológus, Johann Müller volt. Müller folyóiratában Helmholtz 1845-ben publikálta „Az anyagfelhasználásról az izomműködés során” című munkáját. Ugyanebben az évben, 1845-ben Magnus és Müller köré csoportosuló fiatal tudósok megalakították a Berlini Fizikai Társaságot. Helmholtz is csatlakozott hozzá. 1845 óta a később Német Fizikai Társasággá alakult társaság megkezdte az első absztrakt folyóirat „Advances in Physics” („Fortschritte der Physik”) kiadását.

Helmholtz tudományos fejlődése tehát a természettudományok iránti fokozott érdeklődés kedvező környezetében zajlott Berlinben. Már az 1847-ben Berlinben kiadott „Fortschritte der Physik in Jahre 1845” első kötetében Helmholtz recenziót közölt a fiziológiai hőjelenségek elméletéről. 1847. július 23-án a Berlini Fizikai Társaság ülésén jelentést készített „Az erő megőrzéséről”. Mayerhez hasonlóan Helmholtz is a fiziológiától az energiamegmaradás törvénye felé mozdult el. Mayerhez hasonlóan Poggendorff sem fogadta el Helmholtz munkáját, és külön füzetként adták ki 1847-ben.

Helmholtz 70. születésnapja alkalmából tartott ünnepségén 1891. november 2-án beszédet mondott, amelyben ismertette tudományos útját. Jelezte, hogy Johann Muller hatására kezdett érdeklődni az életerő titokzatos lényegének kérdése iránt. Maga Müller is ingadozott ebben a kérdésben a vitalisták metafizikai tanítása és a természettudományos szemlélet között. Ezen a problémán töprengve Helmholtz utolsó diákévében arra a következtetésre jutott, hogy az életerő elmélete „minden élő testnek az úgynevezett perpetuum mobile tulajdonságait tulajdonítja”. Helmholtz iskolás korából ismerte a perpetuum mobile problémáját, diákévei alatt pedig „szabad pillanataiban... Daniel Bernoulli, D'Alembert és más múlt századi matematikusok munkáit kereste és nézegette. ” „Így – mondta Helmholtz –, felmerült bennem a kérdés: „Milyen kapcsolatoknak kell létezniük a természet különböző erői között, ha elfogadjuk, hogy a perpetuum mobile általában lehetetlen?” és tovább: „Valóban teljesültek ezek a kapcsolatok?” Az erő megőrzéséről szóló könyvemben a fiziológusok érdekében csak a tények kritikai értékelését és rendszerezését kívántam adni." Helmholtz azt mondta, hogy az akkori hatóságok nemcsak hogy nem tartották ismertnek gondolatait, hanem éppen ellenkezőleg, „hajlottak a törvény igazságosságának elutasítására; A hegeli természetfilozófia ellen folytatott buzgó küzdelem közepette munkámat fantasztikus intellektualizmusnak tartották…” Mayerrel ellentétben azonban Helmholtz nem volt egyedül a tudományos fiatalok, és mindenekelőtt a leendő híres fiziológus, Dubois Raymond (1818-1896), valamint a fiatal Berlini Fizikai Társaság. A Mayer és Joule munkásságához való hozzáállást illetően Helmholtz többször is elismerte Mayer és Joule prioritását, hangsúlyozva azonban, hogy nem ismerte Mayer munkásságát, és nem ismerte eleget Joule munkásságát.

Térjünk rá magára Helmholtz művére. Elődeivel ellentétben a jogot az örökmozgó (perpetuum mobile) lehetetlenségének elvével kapcsolja össze. Ezt az elvet Leonardo da Vinci, a 17. századi tudós elfogadta. (emlékezzünk rá, hogy Stevin a ferde sík törvényét az örökmozgás lehetetlenségére alapozta), végül a XVIII. A Párizsi Tudományos Akadémia nem volt hajlandó örökmozgó projekteket fontolóra venni. Helmholtz az örökmozgó lehetetlenségének elvét azonosnak tartja azzal az elvvel, hogy „a természetben minden cselekvés vonzó vagy taszító erővé redukálható”. Helmholtz passzívnak és mozdulatlannak tekinti az anyagot. A világban végbemenő változások leírásához vonzó és taszító erőkkel is fel kell ruházni. „..A természet jelenségeit – írja Helmholtz – az anyag állandó hajtóerejű mozgásaira kell redukálni, amelyek csak a térbeli kapcsolatoktól függenek.”

Így a világ Helmholtz szerint olyan anyagi pontok gyűjteménye, amelyek központi erőkkel kölcsönhatásba lépnek egymással. Ezek az erők konzervatívak, és Helmholtz az élő erő megmaradásának elvét állítja a Mayer-féle „semmiből nem jön” elvet egy konkrétabb álláspontra, miszerint „bármilyen önkényes létezés miatt ez lehetetlen. a természet testeinek kombinációja, hogy folyamatosan hajtóerőt nyerjünk a semmiből.” Ez az elv megköveteli, hogy „az a munkamennyiség, amelyet akkor kapunk, amikor a rendszer testei a kiindulási helyzetből a másodikba mozognak, és az a munkamennyiség, amelyet a második pozícióból az első pozícióba való mozgásuk során el kell költeni, mindig a ugyanaz, bármilyen legyen is az átmenet módszere, az átmenet útja vagy sebessége."

Ebben az esetben Helmholtz a szorzat felét (mv)2 tekinti az elvégzett munka mértékének. „A jelenleg alkalmazott erőmérési módszerrel való jobb összhang érdekében javaslom az 1/2(mv)2 érték megjelölését a munkaerő mennyiségeként, ami miatt ez nagyságrendileg megegyezik a ráfordított munka mennyiségével.” Ez Helmholtz fontos lépése az energiamegmaradás törvényének fejlesztésében. Az élőerő megmaradásának elve megfogalmazásában így szól: „Ha tetszőleges számú mozgó anyagi pont csak olyan erők hatására mozog, amelyek a pontok egymás közötti kölcsönhatásától függenek, vagy amelyek rögzített középpontok felé irányulnak, akkor az összeg az összes pont élőereje együttvéve ugyanaz marad minden olyan pillanatban, amikor minden pont ugyanazt a relatív pozíciót kapja egymáshoz és a meglévő rögzített középpontokhoz képest, bármilyen legyen is a pályájuk és sebességük a intervallumok a megfelelő pillanatok között.” Helmholtz ezt az elvet matematikailag a következő képlettel fejezi ki:

ahol Q és q a sebességek R és r pozícióban, Ф „az r irányba ható erő nagysága” és „pozitívnak tekintjük, ha van vonzás, és negatívnak, ha taszítás figyelhető meg...”.

A?dr integrállal kifejezett mennyiséget Helmholtz „az R és r távolságok közötti feszített erők összegének” nevezi, és az energiamegmaradás törvénye a következő megfogalmazást kapja: „egy pont élő erejének növekedése, amikor Egy központi erő hatására elmozdul, egyenlő a távolság változásának megfelelő feszítő erők összegével.” Ma a „munkaerő növekedése” helyett „a mozgási energia növekedése”, a „feszült erők összege” helyett pedig „potenciális energia csökkenése” mondjuk.

Áttérve a pontrendszerre, Helmholtz általános álláspontot fogalmaz meg: „A rendszerben létező feszült erők és élőerők összege mindig állandó.” „Ebben a legáltalánosabb formában – írja Helmholtz – törvényünket az erő megőrzésének elvének nevezhetjük.

Ennek az elvnek a megfogalmazása után Helmholtz különféle speciális esetekben mérlegeli annak alkalmazását. Rámutat, hogy az élőerők megőrzését már alkalmazták olyan esetekben, mint az egyetemes gravitációs erő hatására bekövetkező mozgások, az összenyomhatatlan szilárd és folyékony testeken keresztül történő mozgások átvitelének jelenségei, a teljesen rugalmas szilárd testek mozgása. és folyékony testek. Különösen a rugalmas közegben terjedő hullámok interferencia jelenségeivel foglalkozva Helmholtz megmutatja, hogy az interferencia „nem pusztítja el az élőerőt, csak annak eltérő eloszlása”.

Az elektromos jelenségeket figyelembe véve Helmholtz kifejezést talál a ponttöltések energiájára, és megmutatja a Gauss által potenciálnak nevezett függvény fizikai jelentését. Kiszámolja továbbá a töltött vezetők rendszerének energiáját, és megmutatja, hogy a Leyden-edények kisütésekor a tárolt elektromos energiával egyenértékű hő szabadul fel. Egyúttal kimutatta, hogy a kisülés oszcillációs folyamat, és az elektromos rezgések „egyre kisebbek lesznek, míg végül az ellenállások összessége elpusztítja az összes élő erőt”.

Helmholtz ezután a galvanizmust veszi figyelembe. Azt jelzi, hogy a w ellenállású fémvezetőben t idő alatt felszabaduló hőmennyiség „egyenlő Lenz szerint”.

és megmutatja, hogy ez megfelel az elektromos erők munkájának. Helmholtz galvanikus forrásokban, termoelektromos jelenségekben elemzi az energiafolyamatokat, megalapozva e jelenségek jövőbeli termodinamikai elméletét. Neumann kutatásai alapján és Lenz törvényére támaszkodva.

Munkájában Helmholtz Mayerrel ellentétben a fő figyelmet a fizikára fordítja, és csak nagyon röviden és tömören beszél a biológiai jelenségekről. Ennek ellenére ez az esszé nyitotta meg Helmholtznak az utat a Königsbergi Egyetem Orvosi Karának Élettani és Általános Patológiai Tanszékére, ahol 1849-ben rendkívüli professzori posztot kapott. Helmholtz 1855-ig töltötte be ezt a pozíciót, amikor Bonnban az anatómia és élettan professzora lett. 1858-ban Helmholtz a fiziológia professzora lett Heidelbergben. Heidelbergben Helmholtz sokat és sikeresen dolgozott a látás fiziológiáján. Ezek a tanulmányok jelentősen gazdagították a tudás és a gyakorlati orvostudomány területét. E vizsgálatok eredménye Helmholtz híres „fiziológiai optikája”, amelynek első száma 1856-ban, második száma 1860-ban, harmadik száma 1867-ben jelent meg.

Helmholtz itt, Heidelbergben végezte klasszikus tanulmányait az idegi gerjesztés terjedési sebességéről és az akusztikáról. 1863-ban jelent meg „A hangérzékelés tana mint az akusztika fiziológiai alapja” című könyve. Végül Heidelbergben jelentek meg klasszikus művei a hidrodinamikáról és a geometria alapjairól.

1871 márciusa óta Helmholtz a berlini egyetem professzora lett. Létrehozott egy fizikai intézetet, ahol a világ minden tájáról érkeztek fizikusok, és aktívan részt vett az Állami Fizikai és Technológiai Intézet - a német metrológia központja - megszervezésében, amelynek első elnöke lett. Helmholtz 1894. szeptember 8-án halt meg.

Az energia megmaradásának és átalakulásának törvényének felfedezői különböző utakat jártak be annak létrejöttéig. Mayer, kezdve az orvosi megfigyelésekkel, azonnal mély, átfogó törvénynek tekintette, és feltárta az energia átalakulások láncát az űrből az élő szervezetbe. Joule kitartóan és kitartóan mérte a hő és a mechanikai munka közötti mennyiségi összefüggést. Helmholtz a jogot összekapcsolta a 18. századi nagy mechanika kutatásával.

Különböző utakat járva sok más kortárssal együtt kitartóan küzdöttek a törvény jóváhagyásáért és elismeréséért a céhes tudósok ellenkezése ellenére. A küzdelem nem volt könnyű, és néha tragikus jelleget öltött, de teljes győzelemmel végződött. A tudomány rendelkezésére áll az energia megmaradásának és átalakulásának nagy törvénye.