Опыты Лебедева по измерению светового давления явились вторым решающим экспериментом в подтверждении теории Максвелла и электромагнитной теории света

Окончательную победу электромагнитная теория света и теория Максвелла получили после практического применения электромагнитных волн для связи. Впервые в истории передача и прием радиосигналов были продемонстрированы в 1896 году Александром Степановичем Поповым (1859-1905) на сконструированной им приемопередаточной установке. Поповым была передана на расстояние 250 м и принята первая в мире радиограмма, состоявшая из двух слов: «Генрих Герц». В 1897 году Попов проводил опыты по передаче сигнала уже на расстояние до 5 км, а в 1899 году была установлена радиосвязь на расстоянии 50 км.

В 1896 году спустя несколько месяцев после выхода в свет статьи Попова и после демонстрации им первой приемопередаточной установки, итальянец Маркони взял патент на аналогичное изобретение. Установка Маркони повторяла все основные черты аппарата Попова, который после этого факта выступил в печати и заявил о своем приоритете. Однако в 1909 году именно Маркони была присуждена Нобелевская премия за изобретение радио. В настоящее время приоритет Попова в изобретении радио доказан и признан научным сообществом.

 

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.

РАЗВИТИЕ ТЕРМОДИНАМИКИ

Теплофизика в XIX веке развивалась по следующим направлениям:

1. создание аналитической теории передачи теплоты Фурье,

2. исследования превращения теплоты в механическую работу или превращения работы в теплоту.

 

1. Аналитическая теория теплоты Фурье.

Проблема теплопроводности была решена французским ученым Жаном Батистом Фурье (1768-1830) в первой половине XIX века. П ередача теплоты внутри твердой среды от одного элемента к другому, то есть собственно теплопроводность, для которой Фурье и устанавливает аналитический закон и получает дифференциальное уравнение теплопроводности, придерживаясь теории теплорода.

Таким образом, Фурье привел теории теплоты в такое же состояние, в которое была приведена к тому времени механика, и уточнил представления предшественников по вопросу о протекании теплоты внутри твердого тела. Количество проходящей теплоты внутри тела пропорционально не просто разности температур, как было установлено Фурье, а этой разности, отнесенной к единице длины, то есть пропорционально градиенту температуры. Фурье оказался первым, кто количественно изучил явление теплопроводности, которое описывает необратимые процессы, и по этой причине не укладывающееся в рамки классической механики, все законы которой являются обратимыми. Таким образом, Фурье установил, что в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи теплоты только от более горячих тел к менее горячим. Это утверждение может рассматриваться как первая формулировка второго начала термодинамики. Дальнейшее развитие понятия необратимости в науке связано с развитием теории тепловых машин.

2. Теория тепловых машин Карно.

Исследованиями превращения теплоты в механическую работу занимался французский инженер Сади Карно (1796—1832).

Анализируя работу тепловой машины, Карно высказывает идею, что для работы тепловой машины необходимо наличие разности температур и затем их выравнивание. К этому положению Карно пришел исходя из представлений о теплороде, который, переходя от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, может совершать работу. Признавая теорию теплорода, Карно проводил аналогию между работой тепловой машины и работой водяного двигателя, в котором вода, падая с большей высоты на меньшую, совершает работу.

Однако при передаче теплорода от теплого тела к холодному, работа может не совершаться, например, при тепловом контакте двух тел, когда происходит бесполезное восстановление теплового равновесия. Поэтому, работа тепловой машины определяется не только разностью температур.

Для того чтобы производилась работа, должно существовать рабочее вещество, которое отбирает теплоту у нагревателя при более высокой температуре — лучше всего при температуре нагревателя — и отдает теплоту холодильнику при температуре более низкой — опять таки лучше всего при температуре холодильника. Этого можно достигнуть, если в качестве рабочего тела взять газ, который забирает и отдает теплоту, совершая изотермический процесс.

Изменение температуры самого рабочего вещества происходит в результате изменения его объема адиабатически. В этом случае, как показал Карно, мы получим максимально возможную работу. Во всех других случаях получается меньшая работа, и даже она может быть совсем не произведена. При исследовании важности перепада температур и необходимости рабочего тела Карно вводит в обиход множество терминов: идеальная тепловая машина, идеальный цикл, обратимость процесса и т.д.

На следующем этапе Карно формулирует теорему для идеальной тепловой машины: «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми, в конечном счете, производится перенос теплорода».

При доказательстве теоремы Карно исходит из двух положений: принципа сохранения теплорода и принципа невозможности вечного двигателя.

Положение о том, что «движущая сила теплоты» зависит только от температур нагревателя и холодильника и что рабочее тело не играет никакой роли, является первым шагом к пониманию второго начала термодинамики. Однако Карно не удалось определить коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины как функцию этих температур.

Таким образом, несмотря на неверное представление о природе теплоты и самом процессе работы тепловой машины (неправильное применение закона сохранения энергии, в результате чего, Карно пришел к равенству количества теплоты, полученного от нагревателя, и количества теплоты, отданного холодильнику), Карно получил важные результаты в области теплофизики. И хотя в середине XIX века теплород был убран из теории Карно, но ее основные выводы остались неизменными.

Таким образом, Карно пришел к общей идее о сохранении и превращении «сил» и о теплоте как о движении.

3. Исследования Клапейрона.

Клапейрон в основу своих рассуждений положил рассмотрение и анализ круговых процессов. При этом Клапейрон впервые употребил графическое изображение обратимых круговых процессов и вычислял получаемую при таких процессах работу, как площадь, ограниченную на графике замкнутой кривой процесса. Графический метод Клапейрона нашел широкое применение в термодинамических исследованиях и оказался полезным при теоретических построениях.

Клапейрон рассмотрел цикл Карно, когда разность температур между нагревателем и холодильником бесконечно мала, и установил, что отношение полученной работы к взятому от нагревателя количеству теплоты равно произведению разности температур на функцию Карно.

Кроме обычного цикла Карно с газом Клапейрон рассмотрел цикл, в котором работающим веществом является система из жидкости и насыщенного пара. Исследуя в данном случае соотношение между полученной работой и использованной теплотой, Клапейрон вывел уравнение, известное под названием уравнения Клапейрона — Клаузиуса.

В своих работах Клапейрон впервые применил запись объединенного закона Бойля — Мариотта и Гей- Люссака. Впоследствии Д. И. Менделеев обобщил это выражение, учтя закон Авогадро-Ампера-Жерара, и получил уравнение в более общем виде, которое в настоящее время называется уравнением Клапейрона - Менделеева.

Клапейрон был сторонником теории теплорода и считал, что работа тепловых машин происходит за счет перехода теплорода от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Это привело Клапейрона к утверждению, что «живая сила» в природе непрерывно теряется.

Неправильное представление Клапейрона о природе теплоты и о процессах, происходящих в тепловой машине, не позволило ему определить коэффициент полезного действия тепловых машин и установить вид функции Карно, которая определяет этот коэффициент. Для того чтобы определить функцию Карно, нужно было изменить взгляд на природу теплоты и на процесс совершения теплотой работы.

4. Исследования природы теплоты.

Рассматривая исследования, посвященные изучению процессов превращения механической работы в теплоту, следует указать, что еще нашим далеким предкам, жившим в каменном веке, было известно, что при трении выделяется тепло. Именно благодаря трению первобытный человек добывал себе огонь. Однако количественные измерения впервые были сделаны только в XIX веке Бенджаменом Томсоном (лордом Румфордом) (1753-1814), который заметил, что при сверлении стволов артиллерийских орудий выделяется большое количество теплоты. Румфорд сделал вывод, что теория теплового вещества является неверной и что теплота есть особый вид движения.

К этому заключению пришел также Гемфри Дэви (1778-1829). Он путем трения расплавил два кусочка льда, плавил воск, используя теплоту, образовавшуюся в результате трения. Эти опыты навели Дэви на мысль, что полученные результаты несовместимы с вещественной теорией теплоты и что теплота должна быть какой-то формой движения.

Взгляда на теплоту как на движение придерживались и другие ученые первой половины XIX в. - Ампер, Юнг и др. Однако господствующее положение занимала вещественная теория теплоты вплоть до установления закона сохранения и превращения энергии.