Экспериментальное обоснование закона Джоуля

При всём различии подходов, методов и принципиальных установок все исследователи сходились в одном пункте - необходимости установления количественного отношения между различными формами сил и, в первую очередь, между теплотой и механическим движением. Здесь предстояло вновь вернуться к старому вопросу: что же считать мерой механического движения, и здесь практика решила вопрос вполне определённо: "мера движения - работа". Со всей чёткостью итог дискуссии о мерах движения подвёл Энгельс в своей известной статье "Мера движения - работа".

"Если имеющееся уже налицо механическое движение переносится таким образом, что оно сохраняется в качестве механического движения, то оно передаётся согласно формуле о произведении массы на скорость. Если же оно передаётся таким образом, что оно исчезает в качестве механического движения, воскресая снова в форме потенциальной энергии, теплоты, электричества и т. д., если, одним словом, оно превращается в какую-нибудь другую форму движения, то количество этой новой формы движения пропорционально произведению первоначально двигавшейся массы на квадрат скорости. Одним словом: mv - это механическое движение, измеряемое механическим же движением; mv² - это механическое движение, измеряемое его способностью превращаться в определённое количество другой формы движения"^*.

^* (Энгельс, Диалектика природы, изд. 1948 г., стр. 71.)

Работа из вспомогательного понятия в механике и теорема живых сил из первого интеграла её уравнений превратились в важнейшие понятия я принципы естествознания. "Работа - это изменение формы движения, рассматриваемое с его количественной стороны"^*.

^* (Энгельс, Диалектика природы, изд. 1948 г., стр. 72.)

Количество превращенной формы движения можно измерить величиной той механической работы, например, по поднятию груза, которую можно было бы получить, если целиком всё исчезнувшее движение затратить на это поднятие. Экспериментальное обоснование принципа и заключается прежде всего в доказательстве количественной определённости этой работы. Этой задаче и были посвящены классические опыты Джоуля.

Джоуль

Джемс Прескот Джоуль - манчестерский пивовар (родился 24 декабря 1818 г.,у мер в 1889 г.) - начал с изобретения электромагнитных аппаратов. Эти приборы и явления, с ними связанные, были конкретным ярким случаем превратимости физических сил, В первую очередь Джоуль исследовал законы выделения тепла электрическим током. Так как опыты с гальваническими источниками (1841) не давали возможности установить, является ли теплота, развиваемая током в проводнике, только перенесенной теплотой химических реакций в батарее, то Джоуль решил поставить эксперимент с индукционным током.

Он поместил в замкнутый сосуд с водой катушку с железным сердечником, концы обмотки катушки присоединялись к чувствительному гальванометру. Катушка приводилась во вращение между полюсами сильного электромагнита, по обмотке которого пропускался ток от батареи. Число оборотов катушки достигало 600 в минуту,при этом попеременно четверть часа обмотка электромагнита была замкнута, четверть разомкнута. Тепло, которое выделялось (вследствие трения), во втором случае вычиталось из тепла, выделяемого в первом случае. Джоуль установил, что количество тепла, выделяемое индукционными токами, пропорционально квадрату силы тока. Так как в данном случае токи возникали вследствие механического движения, то Джоуль пришёл к выводу, что тепло можно создавать с помощью механических сил. Далее Джоуль, заменив вращение рукой вращением, производимым падающим грузом, установил, что "количество теплоты, которое в состоянии нагреть 1 фунт воды на 1°, равно и может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в 1 фут". Эти результаты и были им сведены в работе "О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла", доложенной на физико-математической секции Британской ассоциации 21 августа 1843 г.

В следующем, 1844 г. подробные и тщательно проведенные исследования по вопросу о теплоте электрического тока опубликовал в поггендорфских "Анналах" петербургский академик Ленц. Аппарат Ленца представлял собой опрокинутый кверху дном стакан, укреплённый на доске. Отверстие стакана закрывалось стеклянной пробкой, в которую были впаяны две проволочки, служащие для подвода тока к спиральной проволочке, помещённой внутри стакана. В дне стакана имелось отверстие, закрываемое пробкой с термометром. В стакан наливался спирт. Исследования Ленца показали, что выделяемая теплота пропорциональна квадрату силы тока, сопротивлению* проволоки и времени прохождения тока.

Рис. 225. Опыт Джоуля

Этот закон, известный ныне под именем закона Джоуля-Ленца, и представляет частный случай закона сохранения и превращения энергии в цепи электрического тока. Ленцу же (см. ниже)принадлежит и известное правило определения направления индукционного тока, представляющего собой также частный случай закона сохранения энергии (вывод Гельмгольца!). Таким образом русские учёные деятели внесли существенный вклад в обоснование закона сохранения энергии.

В следующих своих работах Джоуль исследовал термические явления при сжатии и расширении газов. В работе, опубликованной в 1845 г. В работе, опубликованной в 1845 г. "Об изменениях температуры, вызванных разрежением и сгущением воздуха", описаны следующие опыты.

В калориметр помещён нагнетательный насос вместе с резервуаром. Воздух, проходя через высушивающий прибор и принимающий в змеевике определённую температуру, нагнетался в резервуар до давления в 22 атмосферы. Ввиду незначительности повышения температуры в калориметре процесс сжатия можно рассматривать, как изотермический, и работу" затраченную на сжатие, рассчитывать по формуле

где p₂ = 22 атм.= 22*1034 ^кг/_м², p₁ = 1 атм., v₂ - объём резервуара, равный в опыте Джоуля 0,002232 м³. Эквивалентное количество тепла находится по повышению температуры (которое составляло доли градуса Фаренгейта) и данным калориметра. Опыт дал для механического эквивалента значение что составляет около 436 ^кгм/_{б. кал.}.

Рис. 226 и 227. Опыт Джоуля

Другой опыт представлял повторение опыта Гей-Люссака и, как мы уже знаем, послужил поводом обвинить Майера в неправомерности его расчётов. Два металлических сосуда, соединённые трубками с кранами,, помещались в общий калориметр (рис.26). В одном сосуде воздух сжат до 22 атмосфер, из другого откачивался до возможного предельного разрежения. Когда краны открывались, то воздух расширялся в пустоту, не производя работы. Температура в калориметре не изменялась. Когда же сосуды были помещены каждый в отдельный калориметр (рис. 227), то в одном произошло охлаждение на 2,36°, а в другом нагревание на 2,38°, т. е. такое же. Наконец, Джоуль измерял охлаждение, получающееся при расширении сжатого воздуха в атмосферу. Воздух, сжатый в резервуаре R (рис. 228), помещённом в калориметре, проходил по змеевику в сосуд Р, опрокинутый в воду, и, вытесняя из него воду, производил работу расширения. Среднее значение эквивалента оказалось равным 798 футофунтов (436 ^кгм/_{б. кал.}).

Рис. 228. Опыт Джоуля

Наконец, в работе 1847 г. и особенно в работе 1850 г. Джоуль, разрабатывая свой главный метод, вошедший в учебники физики, даёт наиболее совершенное определение механического эквивалента тепла. Металлический калориметр (в первых опытах медный, в последующих - чугунный, рис. 229) устанавливался на деревянной скамейке. Внутри калориметра проходит ось, несущая лопасти или крылья. Крылья эти расположены в вертикальных плоскостях, образующих угол 45° друг с другом (восемь рядов). К боковым стенкам в радиальном направлении прикреплены четыре ряда пластинок, не препятствующие вращению лопастей, но препятствующие движению всей массы воды. В целях тепловой изоляции металлическая ось разделена на две части деревянным цилиндром. На внешнем конце оси имеется деревянный цилиндр, на который наматываются две верёвки в одинаковом направлении, покидающие поверхность цилиндра в противоположных точках (рис. 230). Концы верёвок прикреплены к неподвижным блокам, оси которых лежат на лёгких колесиках. На оси намотаны верёвки, несущие грузы. Высота падения грузов отсчитывается по рейкам

Рис. 229. Калориметр Джоуля

Рис. 230. Опыт Джоуля

Из опытов с водою Джемс Джоуль нашёл значение эквивалента 773, 64 ^{фунтофут}/_{англ. калор.} или 424, 3 ^кгм/_{б. кал.}. Наливая в чугунный калориметр ртуть, он нашёл значение 776,303 (425,77). Далее Джоуль определял эквивалент, измеряя теплоту, выделяемую при трении чугуна о чугун (рис. 231). На оси в калориметре вращалась чугунная пластинка. Вдоль оси свободно скользят кольца, несущие рамку, трубку и диск, по форме пригнанный к чугунной пластинке. С помощью стержня и рычага можно произвести давление и прижать диск к пластинке. Эти опыты дали значение 774,880 (425,00). Последние измерения механического эквивалента Джоуль производил уже в 1878 г.

Рис. 231. Опыт Джоуля

Кроме Кольдинга и Джоуля, определение механического эквивалента производили Сеген, Гирн, Гольцман и другие. Эльзасский фабрикант-текстильщик Гирн определил в 1853 г. механический эквивалент методом удара. Плита, из песчаника весом в 941 кг (рис. 232) подвешивалась на двойной деревянной раме. Плита была снабжена на одном конце железной плиткой. На той же раме подвешен был железный цилиндр весом 350 кг. Между ними помещался свинцовый цилиндр, внутри которого был выдолблен канал. Вначале в канал цилиндра помещался термометр, с помощью которого определялась температура свинцового цилиндра. Затем отводили железный цилиндр в сторону, поднимая его центр тяжести на высоту h. Цилиндр ударялся о свинец, отскакивал обратно на некоторую высоту h', а плита поднималась на h". Совершённая работа

(р = 350, Р = 941 кг). Сейчас же после удара в полость свинцового цилиндра наливалась вода, температура которой определялась термометром. Измерения Гирна дали значение 425,2 ^кгм/_{б. кал.}.

Рис. 232. Опыт Грина