> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Следовательно

Следовательно

Следовательно, теплота Ср — Св калорий превращается в В единиц работы, и отношение

В _

Ср - с.

есть не что иное, как механический эквивалент одной калории. Это уравнение известно в науке под названием уравнения Роберта Майера. Численно Майер получил для J слишком малое число, именно только 365 килограммо-метров на 1 большую калорию, но лишь потому, что ему не были известны точные значения теплоемкостей Ср и Св. Самый же методъ разсуждения его вполне верен и признается безупречным и в настоящее время. В 1845 году Майер опубликовал свою вторую работу „Die Orga-nische Bewegung in ihrem Zusammen-hange mit dem Stoffwechsel“, в которой он обобщает закон сохранения энергии на органическую природу и выводит из нового принципа некоторые следствия, касающияся всего мира. Вообще Майер приписываетъ энергии не только неуничтожаемость, но и полную реальность и ставит ее вполне на ряду с материей. По его взгляду последняя отличается отъ энергии только тем, что она весома. В этом отношении Майер даже как-будто ближе подходит к последнимъ современным воззрениям, чем его два знаменитых соперника Джоуль и Гельмгольтц. 2) Совершенно независимо от Майера к общему закону сохранения энергии пришел английский физик Джоуль [см. XVIII, 299. James Prescott Joule). В 1843 г. онъ опубликовал мемуар „о тепловомъ эффекте магнито-электричества и о механической оценке теплоты“. Въ этой работе он не только утверждает, но и многообразными опытами доказывает, что какими бы способами мы ни превращали механическую работу в теплоту, всегда определенному количеству затраченной работы соответствует определенное количество полученной теплоты. Другими словами, Джоуль первый на опыте доказалъ постоянство механического эквивалента теплоты. Еще ранее, в 1840 г., Джоуль разнообразными опытами доказал. что количество теплоты, выделяемое в проводнике, по которому идет эл. ток, прямо пропорционально сопротивлению проводника и квадрату силы тока (закон Джоуля). Теперь же, в названной работе, он доказал, что, если ток поддерживается магнито-электрическою машиною, то это же количество теплоты, развиваемое въ проводе, всегда пропорционально механической работе, затрачецной на вращение машины. Кроме того Джоуль измерял количество теплоты, развиваемой работою трения при протекании жидкости через очень узкие трубы или при перемешивании воды в калориметре. В статье 1843 г. он въ качестве среднего результата своихъ опытов дает число 770 фунто-футов работы, как эквивалент. Фа-ренгейтовской (фунтовой) калории. Въ переводе на калорию Цельсия и на килограммометры это составляет:

770×—g—×0,30474 == 422,4 килограммометра на 1 бол. калорию. Надо удивляться точности этого результата, тем более, что отдельные измерения Джоуля тогда еще весьма сильно разнились одно от другого. Впоследствии Джоуль в течение многих летъ с большою настойчивостью совершенствовал свои методы измерения и все более приближался к ныне принятому числу J=427 килограммометров. В абсолютных единицахъ работы механический эквивалент 1 мал. калории=4,19 Джоуля=4,19.ИО7 эрг. Установив на опыте постоянство соотношения между теплотою, с одной стороны, и разными видами механической и электрической энергии, Джоуль положил прочное основание для позднейшого теоретического развития и распространения закона сохранения энергии.

Завершением серии классических работ, послуживших к обоснованию общого закона сохранения энергии, является знаменитая работа Г. Гельм-гольтца(сж) (Н.в. Helmholtz), Ueberdie Erhaltung der Kraft“, вышедшая въ 1847 году в Берлине в виде отдельной брошюры. В этой работе на 732 стр. после краткого, частью философского, введения в шести главахъ последовательно излагаются: I. Принцип сохранения живой силы; II. Принцип сохранения энергии („силы“); III. Применение его к механическимъ теоремам; IY. Силовой эквивалентъ теплоты; Y. Силовой эквивалентъ электричества; YI. Силовой эквивалент магнетизма и электромагнетизма. В нескольких заключительных строках автор говорит и о возможности применения нового принципа к процессам, происходящим въ растительных и животных организмах, но осторожно указывает на полную недостаточность опытныхъдан-ных в этой области. В этой работе Гельмгольтц еще всюду говоритъ „сила“, вместо „энергия“. Вместо словъ „кинетическая энергия“ говорит—„живая сила“, вместо „потенциальная энергия“—„сумма напряжений“ („Summe der Spannkrafte“). В заголовке Y и VI глав он, очевидно, под словомъ „электричество“ разумеет „электрическую энергию“, и под „магнетизмомъ“—„магнитную энергию“.

Мемуар Гельмгольтца имел в науке огромное значение, несмотря на свой преимущественно теоретический характер. Автор тогда был полковым врачом в Потсдаме и не имелъ возможности производить сложныхъ экспериментальных исследований. Гельмгольтц исходит из допущения, что мы можем представлять себе весь мир состоящим из свободных материальных точек, между которыми действуют только „простыя“ притягательные или отталки-вательные силы. Силы эти действуют по направлению прямых, соединяющих попарно точки, и являются только функциями масс точек и расстояний между ними. Из этой гипотезы Гельмгольтц, при помощи Ньютоновой механики, выводит законъ сохранения“ энергии для всех названных выше отделов физики. В этихъ предположениях он, на стр. 17 своего мемуара, так формулирует свой закон: „следовательно, всегда сумма наличных живых сил и напряжений постоянна. В этой наиболее общей форме мы можем назвать нашъ закон принципом сохранения силы“.

Глава IY посвящена доказательству того, что теплоту мы должны рассматривать как чисто механическое явление. На стр. 30 сказано: „то, что до этих пор называлось количествомъ теплоты, по вышеизложенному есть выражение, во-первых, для количества живой силы теплового движения и, во-вторых,—для количества тех напряжений в атомах, которые при изменении расположения последних могутъ вызвать тепловое движение.

Первая часть соответствовала бы тому, что до этих пор называли свободною теплотою, вторая—тому, что называется „скрытою теплотою“. При определении механического эквивалента теплоты Г. ссылается на первыя работы Джоуля. Но работ Р. Майера он тогда еще не знал. В YI главе помещен знаменитый вывод закона индукции токов из закона сохранения энергии.

Впоследствии Гельмгольтц опубликовал еще несколько дополнений и пояснений к этому мемуару и, конечно, сай признавал, что его первоначальная исходная гипотеза о материальныхъ точках с дальнодействующими „простыми“ силами является излишнимъ ограничением, и что принцип сохранения энергии имеет более широкое значение и более прочную эмпирическую базу.

Выражения „кинетическая энергия“ вместо „живой силы“ и „потенциальная энергия“, как энергия положения, были введены в употребление по инициативе знаменитого английского физика, инженера Ранкина, около 1852 г. С тех пор закон сохранения энергии не только лег в основу всехъ физических теорий, но и служилъ руководящей нитью при всех практических применениях физики, при развитии всей техники.

В учении о теплоте закон сохранения энергии получил название „первого закона термодинамики“. Если обозначим через Е приращение внутренней энергии тела, через Q—количество теплоты ему сообщенное извне, через L—сумму всех работ внешних сил, над ними совершенныхъ во время определенного процесса, наконец, через /—механический эквивалент одной калории, то закон сохранения энергии непосредственно дает

E=J.Q+L.

Это уравнение и есть обычное и простейшее выражение первого закона термодинамики.

Всеобщее признание превратимости теплоты в работу, и обратно, побудило Клаузиуса (смотрите) и В. Томсона (смотрите XXIV, 66) существенн. образом изменить и дополнить первоначальную формулировку идей Карно и, таким образом, привело к установлению „второго закона термодинамики“, указывающаго направление происходящих в природе превращений энергии и являющагося, на ряду с законом сохранения энергии, одним из важнейших приобретений человеческой мысли.

В настоящее время закон сохранения энергии может быть формулирован так:

1. Энергией называется всякий запас возможной работы.

2. Энергия всякого ограниченнаго тела или системы) есть однозначная функция его состояния. Вели тело, после ряда изменений, возвращается в точности в свое первоначальное состояние, то и энергия его принимаетъ свое первоначальное значение.

3. Энергия делится на кинетическую или энергию движения, и потенциальную или энергию положения (конфигурации). Первая всегда измеряется суммою всех произведений массы на половину квадрата соответственной скорости ( Нт 1 2 )_ <gj

Вторая представляет работу, которую могла бы отдать система при условии неизменности ея кинетической энергии. Она выражается через координаты состояния системы и силы, въ ней действующия.

4. Энергия не может ни уничтожаться, ни возникать из ничего. Она можетъ только превращаться из одного видав другой в эквивалентных количествах и передаваться из одного места на другое.

5. В изолированной системе сумма всех энергий остается постоянною.

Весьма характерно, что уверенность всех ученых естествоиспытателей въ непреложности закона сохранения энергии так велика, что, когда открывается какое-нибудь новое явление, которое на первый взгляд противоречит этому закону, то никто и не думает сомневаться в верности его, но все сейчас же стараются объяснить это новооткрытое явление так, чтобы противоречие было устранено. Иэто до этих поръ всегда удавалось во всех случаяхъ без всякого исключения. Так, когда в 1903 году П. Кюри (смотрите) и Лабордъ открыли, что радий и его соли непрерывно выделяют громадное количество теплоты и сами себя поддерживают при температуре, на несколько градусов превышающей температуру окружающей среды, то никто и не допустил мысли, что эта теплота возникает из ничего, но со всех сторон посыпались гипотезы для объяснения этого явления с точки зрения закона сохранения энергии.

Общепризнанною оказалась предложенная Рэзерфордом теория распада атомов радиоактивных элементов, которая вполне удовлетворительно объяснила и это явление. Она вместе съ тем указала на громадность запаса внутри-атомной энергии.

Теория радиоактивности (смотрите), исследования Кауфмана и Бухерера над увеличением массы электронов при очень большом увеличении их скорости, факт светового давления и, наконец, разные соображения, связанные с теорией относительности, привели к дальнейшему весьма интересному обобщению. Оказывается, что для устранения некоторых противоречий, необходимо всякой энергии приписать и некоторую массу, некоторую терцию (смотрите). Для того, чтобы найти соотношение между массою и энергиею, то есть, массовый эквивалент энергии, представьте себе пучок параллельных лучей в 1 кв. сантиметр поперечного сечения, падающий на черную поверхность.Согласно теории Максвелла

10ои опытам П. Н. Лебедева (смотрите) такой пучок лучей оказывает на поглощающую поверхность давление (р), численно равное плотности (s) лучистой энергии вблизи этой поверхности. Если интенсивность пучка, то есть количество энергии, падающей в 1 секунду, обозначим через Е, скорость света— через с то плотность энергии

Е (1).

е— - —в.

С

С другой стороны, то же давление может быть выражено количествомъ движения, то есть импульсом, приносимым к поверхности в каждую секунду. Если энергия Е имеет массу т, то импульс равент. с~р. (2).