Открытие закона сохранения и превращения энергии

В XIX веке в различных областях физики начался процесс интеграции научных знаний: все большее и большее значение приобретали исследования превращений различных «сил» природы друг в друга - превращение механического движения в теплоту или электричество и наоборот; превращение электричества в магнетизм или в теплоту. Поэтому в физике возникла общая идея единства «сил природы» и их неуничтожимости, их взаимной превращаемости друг в друга. Однако эта идея должна была получить количественное подтверждение для ее оформления в виде естественнонаучного закона.

Итоговый шаг, устанавливающий количественные соотношения между различными видами энергии при их взаимопревращаемости, который и привел к установлению закона сохранения и превращения энергии (первого начала термодинамики), был сделан в 40-х годах XIX столетия немецкими учеными Майером и Гельмгольцем и английским физиком Джоулем. Парадоксально, что в утверждении идеи сохранения энергии решающую роль сыграли не физики, а люди, которые по характеру мышления отличались от них. Так, Майер и Гельмгольц были врачами, а Джоуль – инженером, в прошлом пивоваром.

Немецкий врач и физиолог Роберт Майер (1814—1878), пришел к открытию закона сохранения энергии от медицинских наблюдений: «Летом 1840г., пуская кровь на Яве новоприбывшим европейцам, я сделал наблюдение, что взятая из плечевой вены кровь имеет почти всегда поразительно яркую красную окраску. Это явление приковало мое внимание. Исходя из теории Лавуазье, согласно которой животная теплота есть результат процесса горения, я рассматривал двоякое изменение окраски, испытываемое кровью в капиллярах малого и большого круга кровообращения, как видимое следствие происходящего в крови окисления. Для поддержания температуры человеческого тела образование теплоты в нем должно находиться в некотором количественном отношении к потере им теплоты, а значит, также к температуре среды; поэтому как образование теплоты в процессе окисления, так и разность окраски обоих видов крови должна быть в общем в жарком поясе слабее, чем в более холодных странах». Таким образом, как установил Майер, цвет венозной крови зависит от интенсивности процессов окисления в организме человека.

Следовательно, вопреки представлениям витализма, Майер опроверг существование особого флюида – «жизненной силы» и показал, что в живых организмах физиологические процессы подчиняются законам физики и химии, в частности, закону сохранения и превращения энергии.

Майер рассматривает различные виды энергии: кинетическую («живую силу движения»), потенциальную («силу падения»), их сумму – механическую энергию («механический эффект»), тепловую, электрическую, химическую энергии или «силы». Анализируя экспериментальные данные, полученные Румфордом и Дэви, Майер опровергает представление о невесомых, в частности, теплород. Рассматривая различные примеры взаимопревращаемости сил: механического движения – в теплоту и электричество, электричества – в теплоту и «механический эффект», теплоты - в электричество, Майер дает формулировку закона сохранения и превращения энергии. Он считает, что все виды энергии могут превращаться друг в друга при условии неизменности общего количества энергии.

Таким образом, Майер пришел к закону сохранения энергии (первому началу термодинамики), изучая физиологические тепловые явления, рассмотрел круговорот энергии в природе при условии неизменности ее общего количества. Он также полагал, что жизнь на Земле, круговорот воды, движение воздушных масс, в конечном счете, обеспечивается энергией солнечных лучей. Так, Роберт Майер с термодинамических позиций раскрыл космическую роль растений и выдвинул перед наукой проблему фотосинтеза.

Работы Майера не обратили на себя внимания физиков, так как были напечатаны не в физических журналах и в значительной степени носили общий философский характер, а также находились в противоречии с еще господствовавшим представлением о невесомых. Интерес к закону сохранения энергии возник только после появления работ Джоуля и Гельмгольца. Майеру пришлось отстаивать свой приоритет. Однако немецкое научное сообщество не поддержало его. Майер подвергается травле и насмешкам, даже со стороны родных. В 1850г. в состоянии сильного нервного расстройства он пытается покончить с собой, выбросившись из окна.

Только после опытов Дж. П. Джоуля под теоретические и философские соображения Майера была подведена прочная экспериментальная основа. Английский физик Джемс Прескотт Джоуль (1818—1889) пришел к открытию закона сохранения и превращения энергии другим путем. Проводя экспериментальные исследования, связанные с выделением теплоты в проводнике, по которому течет электрический ток, Джоуль высказал мысль о существовании связи между количеством этой теплоты и тепловым эффектом реакции окисления, к которой сводятся химические процессы в гальванической батарее.

Джоуль не только дает формулировку закону сохранения энергии - «…теплота, живая сила и притяжение на расстоянии (к которым я могу прибавить свет… взаимно превратимы друг в друга, причем в этом превращении ничего не теряется», - но и ставит вопрос о природе теплоты.

В 1844 г. Джоуль отверг субстанциальную теорию теплоты и поддержал кинетическую теорию тепла. При этом Джоуль развил целый ряд гипотез о характере теплового движения молекул и атомов, дал молекулярно-кинетическое толкование скрытой теплоте плавления, что дает основание считать его одним из основоположников кинетической теории газов.

Немецкий врач и естествоиспытатель Герман Гельмгольц (1821—1894) пришел к выводу о сохранении энергии, изучая физиологические тепловые процессы. В работе «О сохранении силы» (1847) с учетом современной терминологии он вводит понятие потенциальной энергии как величины, равной работе по величине, но противоположной ей по знаку, а также в качестве кинетической энергии предлагает рассматривать не , а . Гельмгольц дает следующую формулировку закону сохранения энергии: сумма кинетической энергии и потенциальной энергии неизменна, и выражает этот закон в математической форме. Гельмгольц связывает закон сохранения энергии с принципом невозможности создания вечного двигателя, объясняя это тем, что все тела в мире состоят из материальных точек, между которыми действуют центральные силы.

Гельмгольц, рассматривая магнитные и электромагнитные явлений с энергетической точки зрения, выводит из закона сохранения энергии закон электромагнитной индукции Фарадея.

В утверждении закона сохранения энергии, установленного Майером, Джоулем и Гельмгольцем, важную роль сыграли работы английских физиков Уильяма Томсона и Ранкина, немецкого ученого Клаузиуса.

Томсон и Клаузиус применяли закон сохранения и превращения энергии в электродинамике к электрическим и электромагнитным явлениям.

Томсон получил выражение для энергии проводника, которая равна половине произведения квадрата количества электричества на емкость проводника, и установил выражение для энергии магнитного поля в виде интеграла, взятого по объему.

Общее определение энергии дал Ранкин. Под энергией Ранкин понимает способность производить работу: «Термин «энергия» предполагает любое состояние субстанции, которое заключается в способности производить работу».

Таким образом, после работ Майера, Джоуля, Гельмгольца, Томсона, Клаузиуса и Ранкина закон сохранения и превращения энергии был признан как общий закон природы, охватывающий все физические явления, как закон, действию которого подчиняется не только мертвая, но и живая природа. Начинается период осмысления этого закона, в котором самое важное – это возможность качественных превращений различных форм энергии друг в друга, что окончательно ликвидировало учение о невесомых.

Открытие закона сохранения и превращения энергии было революционным шагом в развитии науки, так как этот закон устанавливает связь между физическими явлениями и утверждает единство природы, что привело к интеграции научных знаний и отдельных областей физики. По словам историка науки Дж. Бернала: «Энергия стала универсальной валютой физики, так сказать, золотым стандартом изменений, происходивших во Вселенной».

История открытия закона сохранения и превращения энергии привела к изучению тепловых явлений в двух направлениях: термодинамическом и молекулярно-кинетическом, что послужило основой для развития таких областей физики как термодинамика и статистическая физика.