Измерение теплоты. Закон сохранения и превращения энергии

⇐ ПредыдущаяСтр 16 из 33Следующая ⇒

Впервые единицу тепла ввел шведский академик И.К. Вильке (1732-1796). За единицу тепла он принял количество теплоты, соответствующее изменению температуры единицы веса воды на 1 С. Это определение соответствует современному понятию калории. Сопоставляя способность тел поглощать или выделять тепло со свойствами воды как эталона, Вильке нашел удельные теплоемкости многих тел.

Прибор для измерения количества тепла был сконструирован великим французским химиком и физиком Антуаном Лораном Лавуазье (1743-1794), положившему начало строгому научному методу в химии. Лавуазье уяснил единую сущность горения, дыхания и гниения как процесса окисления и на основании точных количественных исследований вывел закон сохранения материи, являющийся одним из фундаментальных законов естествознания.

В русле этих исследований был создан калориметр. Этот прибор состоит из трех резервуаров: во внутреннем помещалось нагретое тело, в промежуточном – лед, в наружном - вода или лед, обеспечивающие постоянную температуру в промежуточном резервуаре. По количеству воды, вытекшей из промежуточного резервуара, определилась удельная теплоемкость тел.

Весьма каверзным для сторонников теории теплорода был вопрос о происхождении теплоты при трении, ведь теплород по определению является неуничтожимым веществом и не может возникать вдруг.

Теория теплорода серьезно пошатнулась после опытов Бенджамина Томпсона (1753-1814) и Хемфри Дэви (1778-1829)

Б. Томпсон (граф Румфорд), служивший военным министром в Баварии, заметил, что пушечный ствол при стрельбе холостыми зарядами нагревается сильнее, чем при стрельбе снарядами. Это никак не могло быть объяснено теорией теплорода. В 1798 г. Б. Томпсон поставил весьма эффектный эксперимент, опровергнувший представления о том, что при трении теплород переходит из воздуха в трущиеся тела. Он поместил орудийный ствол в ящик с водой и начал высверливать канал ствола тупым сверлом. Через два часа вода закипела.

Опыты по выделению теплоты при трении проводил и Дэви, однако теория теплорода в целом устояла. Для уяснения природы теплоты необходимо было определить взаимосвязь между количеством теплоты и механической энергией, определить эквивалентность перехода теплоты в механическую энергию и наоборот. Выводы, полученные независимо друг от друга Юлиусом Робертом Майером (1814-1878), Джеймсом Прескоттом Джоуем (1818-1889) и Германом Людвигом Фердинандом Гельмгольцем (1821-1894) привели к открытию закона сохранения и превращения энергии.

Р. Майер был судовым врачом на голландском судне, совершавшем плавание на Яву в 1840-1841 г.г. Он обратил внимание на то, что венозная кровь жителей южных широт выглядела ярче, чем у европейцев. Известно, что цвет венозной крови зависит от содержания а в ней кислорода – чем больше кислорода, тем кровь ярче. Майер предположил, что южанам для поддержания стабильной температуры тела требуется меньше кислорода, чем северянам. Эта идея превращения энергии стала руководящей в творчестве Майера. В 1841 г. Майер пишет статью “О количественном и качественном определении сил”. В этой статье содержится первая формулировка законе сохранения энергии: “Движение, теплота и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к одной силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам”.

Под термином “сила” Майер понимал энергию. Однако эта статья не была напечатана. Вторая статья под названием “Замечания о силах неживой природы” (1842г.) содержала ясную и четкую формулировку закона сохранения и превращения энергии, анализ экспериментов, проведенных Румфордом и Дэви. В статье обсуждается идея измерения механического эквивалента теплоты. Воспользовавшись данными Пьера Дюлонга (1785-1838) по удельной теплоемкости, Майер получил значение механического эквивалента теплоты. Статья была опубликована в фармацевтическом журнале, имеющем узкий круг читателей, и не привлекла внимания ведущих ученых. После публикаций Джоуля и Гельмгольца по этой проблеме Майеру пришлось доказывать свой приоритет. Последовали насмешки, травля. Ученый делает попытки покончить жизнь самоубийством, выбросившись из окна. Родственники помещают Майера в лечебницу для душевнобольных. Ученый сломлен. После выхода из больницы он остается в одиночестве и не возвращается к научной деятельности. Лишь в конце жизни Майера его труды начинают получать признание.

В установлении закона сохранения и превращения энергии важнейшее значение имеют экспериментальные исследования, доказывающие возможность и эквивалентность превращения одного вида энергии в другой. Сама постановка задачи эксперимента предполагает тончайшее измерение различных по своей физической природе величин. Такие эксперименты были впервые выполнены Дж. Джоулем. Экспериментируя с проводниками электрического тока, он открыл закон, по которому количество теплоты, выделенной при прохождении тока через проводник в единицу времени, пропорционально произведению квадрата силы тока на сопротивление проводника. Этот же закон независимо от Джоуля установил Петербургский академик Эмилий Христианович Ленц (1804-1865), поэтому закон носит сегодня имя обоих ученых.

Механический эквивалент теплоты Дж. Джоуль определил с помощью установки, схема которой показана на рис.15.

Рис.15.Схема установки для определения механического эквивалента теплоты

Потенциальная энергия груза массой m, поднятого на высоту h, равна E=mgh. Эта энергия превращается при опускании груза в кинетическую энергию вращающихся лопастей. Кинетическая энергия лопастей передается воде, налитой в калориметр. Температура воды повышается при этом на T. Если с – удельная теплоемкость воды, то

mgh = cm_вT,

где m_в – масса воды в колориметре, с=1 (для воды). Джоуль на основании опытов установил соотношение, которое в современной системе величин имеет вид:

1 кал = 4, 185 Дж.

Таким образом, 4, 185 Дж - это та энергия, которая эквивалентна теплоте, поднимающей температуру 1 гр. воды на 1°C.

К установлению закона сохранения и превращения энергии Г. Гельмгольц пришел иным путем. В своей работе “О сохранении силы” (1847г.) он проанализировал закономерности превращения энергии с точки зрения механики и электродинамики. Майер и Джоуль рассматривали весьма важный, но все же частный случай сохранения механической и тепловой “силы” (термин “энергия”, впервые введенный в науку Томасом Юнгом, вошел в термодинамику позже, после работ Кельвина). Гельмгольц рассматривает и другие виды энергии, вводит некоторую физическую величину, ранее смешиваемую с понятием силы, участвующую во всех физических явлениях, невесомую и неуничтожимую.

Исторически законы сохранения энергии и массы были независимо установлены в разных областях науки. В физику XIX века были введены понятия о двух различных сущностях – материи и энергии, каждая из которых подчиняется закону сохранения. Лишь с появлением специальной теории относительности А. Эйнштейна возникло представление о том, что материя и энергия есть различные меры одной и той же физической сущности.

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 151617 18 19 20 Следующая ⇒