Сохранение и превращение энергии

Идея о превращении энергии — или, как говорили ранее, силы — возникла и высказывалась, хотя в неясной форме, с давних времен. Еще в XVIII веке русский ученый М. В. Ломоносов в своих исследованиях руководствовался этой идеей. Он утверждал, что теплота есть движение мельчайших частиц — корпускул нагреваемого тела.
«Очень хорошо известно, — писал Ломоносов, — что теплота возбуждается движением: от взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем; при ударе кремня об огниво появляются искры; железо накаливается от проковывания частыми ударами...» Эти наблюдения, конечно, были известны всем, но М. В. Ломоносов сделал из них вывод, что в теплоту превращается движение, или, как мы сказали бы теперь, механическая энергия.
Однако эта мысль великого русского ученого не была понята его современниками. Поэтому опыты, произведенные полвека спустя Румфордом, были восприняты учеными как нечто новое.
Присутствуя при сверлении стволов пушек, Румфорд наблюдал, что получавшиеся стальные стружки были очень горячи. Чтобы решить вопрос о причине возникновения тепла, Румфорд поставил специальные опыты. Он взял стальной цилиндр с высверленным в нем каналом и ввел в него тупое сверло, заполнившее канал цилиндра. Сверло было прижато с большой силой к цилиндру. При вращении его получалось небольшое количество стружек, но температура воды, в которую был погружен цилиндр, все повышалась, пока наконец вода не закипела.
Уже эти опыты с очевидностью указывали на происхождение тепла, выделявшегося при сверлении пушек: в тепло переходила механическая энергия сверла. Еще более убедительными были опыты, сделанные позднее английским физиком Гемфри Дэви. Этот ученый наблюдал возникновение тепла при трении друг о друга двух кусков льда, который при этом начинал постепенно таять. Очевидно, что в этом случае не было никакой другой причины для появления теплоты, кроме превращения в нее механической работы рук. И Дэви сделал правильный вывод из своего опыта. Он писал: «Невозможно составить себе более возвышенное представление о движении материи, чем представление, что различные виды движения постоянно превращаются друг в друга».
Так трудами многих мыслителей и экспериментаторов постепенно подготовлялось величайшее открытие закона сохранения энергии, которым руководствуются все современные физики. Но понадобились еще десятки лет, чтобы все ученые убедились в его существовании.
Огромное значение для всеобщего признания закона сохранения энергии имели опыты английского физика Джемса Джоуля и русского академика Эмиля Ленца. Своими опытами они установили факт превращения в теплоту механической энергии и электрического тока, а Джоуль определил, какое количество работы превращается в теплоту, нагревающую 1 килограмм воды на 1°С.
Исследуя превращение в теплоту механической энергии, Джоуль поставил такой опыт. В металлическом цилиндре устанавливалась вертикальная ось с насаженными на ней в несколько рядов лопастями, или крыльями. На внутренней же стенке цилиндра были прикреплены горизонтальные пластинки, между которыми проходили эти лопасти при вращении оси. Цилиндр наполнялся водой и устанавливался на деревянной скамейке. Для приведения во вращение оси на верхний конец ее над цилиндром насаживалась деревянная муфта, которую обвивали две горизонтально протянутые веревки, переброшенные через блоки. К концам веревок прикреплялись одинаковые грузы, опускание которых вращало ось с лопатками в цилиндре. Вода при этом нагревалась.
Механическую энергию вращения в воде лопаток, переходившую в теплоту, легко было вычислить, зная вес грузов и пройденное ими расстояние. Расчет показал, что для нагревания на 1°С 1 килограмма воды затрачивается работа, равная 424 килограммометрам.



Этот вывод подтвердился и другими опытами Джоуля. Например, он вращал в воде плотно прижатые друг к другу чугунные диски. Механическая энергия вращения переходила в тепло, нагревавшее диски, а от них и воду.
Одновременно Джоуль производил опыты, при которых в теплоту превращался электрический ток.
Всем было известно, что проводник, по которому идет электрический ток, нагревается. Но почему происходит нагревание, никто не знал. Можно было, например, предполагать, что проводнику просто передается тепло, возникающее в батарее вследствие происходящих в ней химических процессов. Чтобы выяснить причину нагревания проводника, Джоуль поставил опыт, при котором в проводнике шел индукционный ток.
Индукционный ток возникает при движении замкнутого проводника в электромагнитном поле. Появление его не связано с химическими процессами, как в батарее: в электрический ток переходит механическая энергия, затрачиваемая на движение замкнутого проводника.
Зная это, Джоуль возбуждал электрический ток вращением от руки катушки с железным сердечником, помещенной между полюсами сильного электромагнита. Величина индукционного тока измерялась чувствительным гальванометром, к которому были присоединены концы обмотки катушки. Для того чтобы можно было измерить количество тепла, выделяющееся при движении индукционного тока, катушка помещалась в сосуд с водой.
Измеряя величину и напряжение тока, Джоуль и почти одновременно с ним Ленц установили, что количество тепла, выделяемое в проводнике при прохождении в нем тока, пропорционально квадрату величины тока и сопротивлению проводника.
Путем таких опытов физики пришли к убеждению, что энергия может переходить из одного вида в другой, но общее ее количество в системе тел, на которую не действуют внешние силы, остается постоянным.
В этом и заключается закон сохранения и превращения энергии, окончательно установленный только в прошлом веке.
В средние века не было ясного представления о работе и энергии. Поэтому техники могли тешить себя мыслью о создании «вечного двигателя». Но скоро перед, ними возникли реальные задачи. Производство потребовало от них изобретения новых машин, определения размеров балок и деталей, обеспечивающих прочность мостов и машин, а также решения многих других задач; техники.
Первой проблемой было определение прочных размеров деталей машин. Решая ее, техники еще в средние века столкнулись с новыми загадками.


Загадки техники