5. К истории законов термодинамики

Прежде всего следует рассказать о попытках изобретения вечного двигателя I рода (Perpetuum mobile I).

Мысль о возможности механизма, который действовал бы будучи однажды "заведенным", родилась, по-видимому, из наблюдений окружающего мира. Движения в природе происходят "сами по себе" (если не привлекать к делу божественную силу). Так почему бы не устроить механизм, подобный скрытому в природе. Да еще улучшить его. Действие водяных и ветряных мельниц, например, зависит от капризов природы. Механизм можно сделать безотказным. Так началась длинная цепь попыток изобретения.

Вера в возможность изобретения была столь велика, что мир был полон слухов об успехах. Дело не обошлось без прямого жульничества. Известно, например, что в 1712 г. некий авантюрист Орфериус в отведенном ему особом помещении построил механизм с колесом диаметром около 4 ми объявил, что оно будет вечно вращаться. Помещение было опечатано, в течение двух месяцев туда якобы никто не заходил. Была собрана комиссия, открыли комнату; ко всеобщему изумлению колесо вращалось. Когда Орфериус продал свое изобретение, он тотчас же скрылся с крупной суммой денег, а колесо, конечно, остановилось: завод механизма, типа часового, ловко скрытого от наблюдателя, окончился.

Проекты множились. К концу XVIII в. их было уже так много, что Парижской академии наук приходилось большую часть времени тратить на их опровержение. В конце концов на специальном собрании Академии в 1775 г. было принято решение не рассматривать никаких проектов. Был сформулирован принцип: вечный двигатель первого рода невозможен. Для получения работающего механизма необходим источник энергии.

После изобретения паровой машины открылось еще одно неприятное обстоятельство: в полезную работу превращается только малая доля энергии топлива. Были совершенно неясны пути увеличения КПД двигателей.

В 1824 г. молодой французский физик Сади Карно (1792-1832) опубликовал брошюру "Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". В этой работе был впервые дан теоретический анализ проблемы и сформулированы принципы термодинамики. Карно показал, что если исходить из принципа невозможности вечного двигателя, то для получения работы необходимо иметь в машине два тела с различными температурами - нагреватель и охладитель. Если в машине нет специального охлаждающего элемента, то его роль играет окружающий воздух. Работа, которую совершает машина, ограничена значениями температур нагревателя и охладителя и не зависит от рода рабочего тела.

Этот результат анализа Карно вошел в физику под именем второго начала термодинамики или принципа невозможности вечного двигателя второго рода - двигателя без охладителя.

КПД оказался зависящим только от разности температур нагревателя и охладителя. Стало ясно, что увеличить КПД можно только одним путем - увеличением температуры нагревателя.

В рукописях Карно была найдена следующая формулировка закона сохранения энергии: "Тепло - это не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тела. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно, всегда при исчезновении теплоты возникает движущая сила.

Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то ОДИН род движения, то другой, но никогда не исчезает".

Работа Карно опередила время; вся глубина ее содержания была раскрыта лишь к концу XIX в.

Итак, первая линия развития идеи - к невозможности вечных двигателей первого и второго рода. Невозможность обусловлена существованием закона сохранения энергии.

Другая линия идет через осознание множественности форм энергии, их взаимопревращаемости и сохранения при взаимных превращениях.

Практика играла здесь очевидную направляющую и стимулирующую роль. Вот характерные примеры.

В 1838 г. Б. С. Якоби (1801-1874) построил в Петербурге двигатель, который питался от батареи гальванических элементов и приводил в движение по реке Неве бот с двенадцатью пассажирами. В поисках возможности увеличить мощность двигателя Якоби поставил следующий вопрос: "Какой максимум механической работы можно получить путем электролитического разложения определенного количества цинка?"

Результатом экспериментов было следующее заключение: "Экономический эффект, т. е. работа, деленная на расход цинка, является величиной постоянной".

Немецкий врач и физик Роберт Майер (1814-1878) шел к осознанию закона от физиологии. От рассмотрения энергетических процессов в живом организме он перешел к физическим процессам, везде устанавливая факт сохранения энергии при превращениях. Вот одно из его рассуждений, интересное для школы: "1 см³ атмосферного воздуха при 0°С и давлении 0,76 м весит 0,0013 г; будучи нагрет при постоянном давлении на 1°С, он расширяется на 1/273 часть своего объема. При этом он поднимает столб ртути высотой 76 см с основанием 1 см² на высоту 1/273 см. Вес такого столба составляет 1033 г. Удельная теплоемкость атмосферного воздуха при постоянном давлении... равна 0,267. Следовательно, количество тепла, принимаемого нашим 1 см³ воздуха для повышения температуры на 1 °С, равно тому количеству тепла, которое нужно для нагревания на 1°С 0,0013x0,267=0,000347 г воды. Количества тепла, которые воздух принимает при постоянном объеме и постоянном давлении, относятся как 1/1,421. Следовательно, для нагревания 1 см³ воздуха при постоянном объеме требуется количество тепла 0,000347/1,421=0,000244. Разность 0,000347 - - 0,000244 = 0,000103 есть то количество теплоты, которое нужно для поднятия груза весом 1033 г на высоту h=1/273 см".

Майер указывает на шесть форм энергии, превращающихся друг в друга: энергию падения тел (потенциальную энергию), кинетическую энергию, теплоту, магнетизм, электричество, химическую энергию. Закон сохранения он распространяет и на органическую природу, развивая мысль о значении процесса ассимиляции в растениях для поддержания всей животной жизни.

Таким образом, Р. Майер сформулировал закон в самой общей форме и указал на его значимость во всех явлениях природы. Однако физики не обратили внимания на его работы.

Ученые еще не были готовы к восприятию идеи сохранения энергии в общей форме. К тому же эти идеи высказывались врачом. Глубину их впервые выявил Ф. Энгельс в своем замечательном труде "Диалектика природы". Но это было уже после смерти Манера. Как уже говорилось, Гельмгольц сформулировал закон сохранения энергий в более узкой форме, но позволявшей количественные расчеты. Авторитет великого физика обеспечил его работам широкую известность.

Но осознание существа фундаментального закона природы шло медленно, через изучение конкретных форм превращений.

Эксперименты Джоуля. В 1841 г. английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889) опубликовал первое исследование, посвященное закону сохранения энергии, "О теплоте, выделяемой металлическими проводниками электричества и элементами батареи при электролизе". Результатом его опытов была формулировка известного, закона:

Однако опыты Джоуля подверглись серьезной критике и встретили возражение. Русский физик Эмиль Христианович Ленц (1804-1865), сознавая принципиальную важность закона, поставил в 1842 г. свои классические эксперименты, которые сделали, закон бесспорным. Поэтому он носит двойное имя.

Далее Джоуль перешел к рассмотрению следующего превращения энергии в работе "Об электрическом, происхождении теплоты горения". Он показал, что количество теплоты, выделяемой током в цепи, тождественно теплоте, которая может быть получена непосредственным окислением находящихся в цепи металлов, включая водород. Отсюда Джоуль заключил, что теплота, выделяемая во внешней цепи гальванического элемента, является результатом превращения теплоты химических реакций.

Следующий шаг к всеобщности закона Джоуль сделал в эксперименте, где электрический ток выделяет теплоту и одновременно производит работу. Он показывает, что количество выделившейся теплоты изменяется пропорционально работе.

Решающей была серия работ 1843 г. "О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механической величине тепла". Здесь Джоуль четко указывает, что теплота, выделяющаяся в цепи с гальваническим элементом, является результатом превращения энергии химических реакций, а теплота в нагрузке магнито-электрического генератора имеет своим источником механическую работу. Это подтверждается классическим экспериментом, к сожалению, не вошедшим в учебники: падающие грузы заставляют вращаться индукционную катушку между полюсами сильного магнита. Катушка помещена в стеклянной трубке с водой: измеряются высота падения, массы грузов, повышение температуры воды.

Следующим был опыт, в котором падающие грузы приводили во вращение вертушку, помещенную в калориметр с водой. По нагреванию воды в калориметре было установлено соотношение между калорией и джоулем: 1 кал = 4,18 Дж.

Методическое замечание. Следует отметить, что применение калории в качестве единицы измерения энергия может породить вопрос: почему теплота измеряется в одних единицах, работа и механическая энергия - в других. Связь 1 кал = 4,18 Дж выглядит таинственной. Здесь обязательно нужно разъяснение, которое следует начинать с происхождения калории. Еще в конце XVIII в. договорились считать калорией количество теплоты, необходимой для нагревания 1 г воды на 1 °С. Далее теплота стала рассматриваться как форма энергии, и калория стала единицей измерения энергии. С другой стороны, появилась механическая энергия, измеряемая в эргах и джоулях.

Если в опыте Джоуля 100-граммовая гиря опускается с постоянной скоростью на 1 м, потенциальная энергия ее уменьшается на 1 Дж, калориметр получает (без учета потерь) тоже 1 Дж или в пересчете на калории 0,24 кал.

Таким образом, равенство 1 кал = 4,18 Дж, которое долгое время называлось механическим эквивалентом теплоты, понимается теперь просто как перевод внесистемной единицы-калории- в системную - джоуль.