Закон превращения энергии – Превращение и сохранение энергии в механических процессах — урок. Физика, 8 класс.

Открытие закона сохранения и превращения энергии

Развитие теплофизики тормозилось в частности из-за того, что понятие «энергия» не было строго определено. При этом в трудах целого ряда ученых встречаются догадки о существовании закона сохранения «движущей силы», где под движущей силой подразумевается та величина, которую мы сегодня называем энергией.

В частности, из записей в дневнике Карно, опубликованных после смерти ученого, стало ясно, что в последние годы жизни он пришёл к выводу о существовании закона сохранения энергии: «Движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создаётся, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает». Специфика терминологии Карно не должна нас смущать; в его время ещё путали разные понятия: силу, энергию, импульс. Собственно говоря, термина «энергия» ещё не существовало; мы уже упоминали выше, что величина

mv2 именовалась «живой силой» в отличие от «мёртвой силы», например, энергии сжатой пружины. Механики XVIII – начала XIX века спорили о том, что является мерой движения – «живая сила» или количество движения mv. Спорящие стороны не могли различить действие силы за некоторый промежуток времени, измеряемое изменением количества движения, и её действие на некотором пути, измеряемое изменением кинетической энергии.

Поэтому на современном языке приведённая выше выдержка из дневника Карно означает не что иное, как закон сохранения энергии. Более того, в дневнике Карно содержалось следующее утверждение: «Тепло есть не что иное, как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел; повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы».

Периодом, решающим для окончательного утверждения закона сохранения и превращения энергии, оказалась середина XIX века. Начало исследованиям в этом направлении было положено немецким врачом Робертом Майером. В 1840 году Майер служил на острове Ява. Здесь он обратил внимание, что цвет венозной крови матросов в тропиках значительно светлее, чем в северных широтах. Объяснение, данное Майером этому факту, было совершенно неожиданным для того времени.

Человек, по мысли Майера, похож на тепловую машину. Тепло, выделяющееся в его теле, возникает в результате сгорания (окисления) пищевых продуктов. Сгоревшие остатки – углекислый газ – кровью переносятся обратно в лёгкие. При этом венозная кровь темнеет. В жарком климате тепла требуется мало, окисление происходит не столь интенсивно и кровь остаётся светлой. Главным в этой качественной картине было предположение, что тепло выделяется за счёт энергии химической реакции.

В июне 1841 года он изложил свою точку зрения в статье «О количественном и качественном определении сил», которую направил для публикации Поггендорфу. Тот не напечатал статью и даже не вернул её автору. Поггендорф имел основания отнестись критически к работе Майера. Не будучи профессиональным физиком, Майер был очень неточен в понятиях; сама идея о возможности превращения энергии в тепло сформулирована расплывчато. Это был ещё не сам закон сохранения энергии, а интуитивное предчувствие закона.

Более строгой оказалась вторая работа Майера – «Замечания о силах неживой природы», опубликованная в «Annalen der Chemie und Pharmazie» в 1842 году. В ней Майер уже анализирует превращения энергии в различных механических процессах. Он отмечает, что тело, поднятое над землёй, обладает «силой падения» (т.е. потенциальной энергией), которая в процессе падения в поле тяжести превращается в «живую силу» mv2 (т.е. кинетическую энергию), которая, в свою очередь, после прекращения движения переходит в тепло. «Для исчезающего движения, – пишет Майер, – во многих случаях не может быть найдено никакого другого действия, кроме тепла, а для возникшего тепла – никакой другой причины, кроме движения…». Майер, как и большинство физиков того времени, опускает коэффициент 1/2 в выражении для кинетической энергии; но он правильно объединяет потенциальную и кинетическую энергию как две формы механической энергии. Более того, он осознаёт, что тепло также является формой энергии: «Тепло есть сила: оно может быть превращено в механический эффект».

Майер установил, что количество теплоты, требуемое для нагревания единицы массы газа на один градус при постоянном давлении (CP), всегда больше количества теплоты, необходимого для нагревания той же единицы массы газа на один градус при постоянном объеме (CV). Нагревание при постоянном давлении отличается от нагревания при постоянном объеме тем, что расширение газа в первом случае сопровождается перемещением поршня, т.е. совершением работы. Если рассматривать теплоту как энергию (по терминологии того времени – «силу») и, определив, насколько

CP превышает CV, сопоставить полученный результат с величиной совершенной работы, то можно найти механический эквивалент теплоты. Эту величину Майер вычислил в 1841 году. Однако расчеты, проведенные Майером, оказались неточными, поэтому приоритет в определении механического эквивалента теплоты по праву принадлежит Дж. Джоулю.

Не оставляет Майер в стороне и электрические явления. Он рассматривает электризацию трением и указывает, что здесь «механический эффект превращается в электричество». Майер считает, что если прерогативой химии является закон сохранения вещества, то прерогативой физики – закон сохранения «силы» (энергии). В заключение своего анализа Майер останавливается на «химической силе». Вопрос о химической энергии у него сочетается с вопросом об энергетике Солнечной системы. Он подчёркивает, что поток солнечной энергии, падающий на Землю, и «есть та непрестанно заводящаяся пружина, которая поддерживает в состоянии движения» все происходящие на Земле процессы, и указывает на роль растений в аккумулировании солнечной энергии.

Широкий философский подход Майера к закону сохранения энергии, обобщение им этого закона на биологические и космические явления затрудняли понимание и признание со стороны научной общественности того времени. Судьба Майера была тяжёлой. Его травили учёные коллеги, его не понимали близкие. Но идея сохранения энергии уже созрела, она, что называется, витала в воздухе.

В те же годы, когда Майер тщетно пытался убедить учёный мир в обоснованности своих идей о превращении энергии в тепло, в Англии схожие мысли развивал Джеймс Прескотт Джоуль. В октябре 1841 года он опубликовал в «Philosophical Magazine» статью о тепловом эффекте электрического тока, в которой установил, что количество теплоты, выделяемое в проводнике, пропорционально квадрату силы тока.

Практически одновременно с Джоулем аналогичные исследования были начаты петербургским физиком Э. Х. Ленцем, который опубликовал свою работу «О законах выделения тепла гальваническим током» в 1843 году. Ленц тщательно продумал и разработал методику эксперимента, определил применяемую им единицу сопротивления (закон Ома, открытый немецким физиком Георгом Омом в 1826-27 годах, к этому времени ещё не вошёл во всеобщее употребление), а также единицы силы тока и электродвижущей силы. Результаты его эксперимента сводились к двум основным положениям:

  1. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально сопротивлению проволоки.

  2. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока.

Точность и обстоятельность опытов Ленца обеспечили быстрое признание закона, вошедшего в науку под названием закона Джоуля-Ленца:

Уже в первых опытах Джоуль понял, что теплота, выделяемая в проводнике, порождается химическими превращениями в батарее, т.е. осознал энергетический смысл открытого им закона. В работе «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом эффекте теплоты», доложенной на собрании Британской Ассоциации в 1843 году, Джоуль сформулировал вывод, что теплоту можно создавать с помощью механической работы, используя электромагнитную индукцию; при этом выделяющееся количество теплоты пропорционально квадрату силы индукционного тока. Вращая электромагнит индукционной машины с помощью опускающегося в поле тяжести груза, Джоуль определил соотношение между работой падающего груза и количеством теплоты, выделяемой в цепи: 1 ккал = 460 кгсм. Здесь использованы практически не употребляющиеся сегодня единицы количества теплоты: 1 кал – калория, количество тепла, необходимое для нагревания одного грамма воды на 1

оС; 1 ккал = 103 кал; и работы: 1 кгсм = 9,8 Дж. Легко подсчитать полученный Джоулем механический эквивалент теплоты: 1 кал = 4,5 Дж. Со временем было определено более точное его значение : 1 кал = 4,18 Дж. Опыты по определению механического эквивалента теплоты Джоуль производил в течение многих лет в различных экспериментах. Эти опыты привели его к однозначному выводу: «… во всех случаях, когда затрачивается механическая сила (т.е. энергия), получается точно эквивалентное количество теплоты».

Усилия Майера и Джоуля в борьбе за утверждение закона сохранения энергии поддержал известный немецкий естествоиспытатель Герман Гельмгольц. В работе «О сохранении силы» (1847 г.) он сформулировал и математически обосновал закон сохранения энергии, отметив его всеобщий характер: этому закону подчиняются механические, тепловые, электрические, физиологические и другие процессы. Гельмгольц впервые точно сформулировал теорему о кинетической энергии (все еще именуя последнюю «живой силой»), определив кинетическую энергию как половину произведения

mv2 : « … я предлагаю величину обозначать как количество живой силы, благодаря чему она будет тождественна по величине с величиной затраченной работы». Рассматривая консервативную систему материальных точек, взаимодействующих между собой посредством потенциальных сил или находящихся во внешнем потенциальном поле, Гельмгольц показал, что:

1. Изменение «живой силы» (т. е. кинетической энергии) каждой материальной точки равно изменению ее потенциальной энергии с обратным знаком.

2. «Сумма существующих в системе напряженных сил (сумма потенциальных энергий материальных точек) и живых сил постоянна».

«В этой наиболее общей форме, – писал Гельмгольц, – мы можем наш закон назвать принципом сохранения силы».

В 1853 году Уильям Джон Макуорн Ранкин, профессор технической механики в Глазго, в статье «Об общем законе превращения энергии» ввёл термин «энергия» и сформулировал закон сохранения энергии в следующем виде: «Сумма всей энергии (потенциальной и кинетической) во Вселенной остаётся неизменной». С этого времени термин «энергия» и закон сохранения энергии входят во всеобщее употребление.

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».

Оставить эмоцию

Нравится Тронуло Ха-Ха Ого Печаль Злюсь

2