Закон сохранения и превращения энергии. Часть 2

(Окончание. Начало здесь ==>>)

По Гельмгольцу математика даёт не более чем логическую структуру законов физики. Еще в мемуаре «О сохранении силы» Гельмгольц давал первую математическую трактовку закона сохранения энергии, указывая на его всеобщность; был также доказан факт подчинения этому закону процессов, происходящих в живых организмах.

Гельмгольц явился создателем нескольких измерительных приборов, маятника и резонатора, названных его именем, тангенс - гальванометра и др.

Талант учёного привлекал к нему молодых естествоиспытателей, биологов, врачей, физиков многих стран. У него учились: физиолог И.М.Сеченов, физики В. Вин, А.Г Столетов, П.Н. Лебедев, около трёх лет работал у него ассистентом Г. Герц.

А.Г. Столетов сказал о Гельмгольце: «Два-три таких человека делают науку своей эпохи ... Перед нами явление вполне исключительное, натура истинно титаническая – человек первоклассный из первоклассных».

В 1888 году император Германии Фридрих III возвел его в дворянское достоинство, а в 1891 году уже император Вильгельм II пожаловал его чином действительного тайного советника, титулом Excellenz и орденом Чёрного Орла. В том же 1891 году он удостоился высшей награды Франции — звезды ордена «Почетного легиона». Город Берлин избрал его своим почётным гражданином.

Широкую известность получили учебники Гельмгольца: «Лекции по электромагнитной теории света» (1897); «Лекции по теоретической физике» (тт. 1–6, 1897–1907). Гельмгольц был членом Берлинской, Пражской, Петербургской АН, других научных обществ.

За год до своей смерти Гельмгольц отправляется на Всемирную выставку в Чикаго. Возвращаясь из путешествия по Америке, он поскользнулся, входя в каюту, и ранил голову, что имело, по-видимому, тяжелые последствия и могло послужить причиной последующего заболевания. Постепенно развился паралич движений, по-видимому, из-за продолжающего разрушать мозг кровоизлияния. Так началась болезнь и тяжелые явления, приведшие к летальному исходу. Утром 12 июля Гельмгольц вышел из дома, но идти самостоятельно уже не смог. К нему подбежал прохожий и помог привести его в комнату и уложить на диван.

Умер Г. Гельмгольц 8 сентября 1894 года в 1 час 11 минут после полудня на 72 году жизни....

Память: медаль Гельмгольца вручается с 1892 года; в 1935 году Международный астрономический союз присвоил имя Гельмгольца кратеру на видимой стороне Луны; объединение имени Гельмгольца — крупнейшая научно-исследовательская организация Германии; имя Гельмгольца присвоено Московскому НИИ глазных болезней; А.А Фридман предложил присвоить имя Гельмгольца дифференциальному оператору «Гельмгольциан».

Параллельно с Гельмгольцем, работавшим над законом сохранения с теоретических позиций, над этим законом в экспериментальном плане работал Дж. Джоуль.

Одно из центральных мест в истории физики XIX века занимают исследования способов превращения одной формы энергии в другую. Первым, кто смог не только наблюдать этот процесс, но и точно измерить его, был Дж.Джоуль.

Джеймс Джоуль (James Prescott Joule) родился 24 декабря 1818 года в английском городке Салфорде, расположенном вблизи Манчестера. Он был вторым из пяти детей в семье состоятельного владельца пивоваренного завода. В детстве Джеймс был слабым и стеснительным ребёнком, у которого были проблемы с позвоночником. Эти обстоятельства, ограничивающие его активность, стали причиной того, что он предпочёл науку физической деятельности. Несмотря на то, что позже проблема с позвоночником уже не так беспокоила его, это отразилось на всей его жизни.

До пятнадцати лет Джеймс обучался дома. Затем он стал работать на пивоваренном заводе, принадлежащем его семье.

Когда Джеймсу исполнилось восемнадцать лет, он упросил отца переехать в город и начал посещать лекции в Манчестерском университете. Но вскоре болезнь дала о себе знать, и Джеймсу пришлось ограничиться лабораторными занятиями с известным английским химиком Дальтоном. Джоуль так и не получил диплома об окончании университета, и это обстоятельство неоднократно мешало ему в будущем. Из-за слабого знания математики он не смог дать точное количественное обоснование открытых им законов.

С 1834 по 1837 год, Джон Дальтон преподавал им химию, физику, научный метод и математику (как и Джеймс Джоуль, Дальтон был христианином, верующим в Библию). Джеймс с благодарностью признавал, что Дальтон сыграл основную роль в том, что он стал учёным.«Именно в результате его преподавания у меня появилось желание увеличить запас моих знаний с помощью оригинальных исследований» - говорил Джоуль. Отец помог ему оборудовать в помещении пивоваренного завода лабораторию, где потом были проведены многие тысячи тонких экспериментов.

Когда их отец заболел, Джеймс и его брат начали заниматься делами на пивоваренном заводе, поэтому у Джеймса не было возможности посещать университет. Но, несмотря на это, его заветным желанием было продолжать изучать науку, и поэтому он создал у себя дома лабораторию, в которой и начал проводить свои эксперименты каждый день до и после работы. Джеймс рассматривал своё желание изучать науку как естественный результат своей христианской веры.

Под влиянием Дальтона и начались экспериментальные исследования Джоуля. Уже первые работы Джоуля связаны с превращаемостью физических сил: он занимался изобретением электромагнитных аппаратов.

В 1838 году, в возрасте девятнадцати лет, Джоуль сконструировал электромагнитный двигатель.

Проводя опыты с гальваническими элементами, он понял, что не может ответить на вопрос: какой вклад в нагревание проводника вносит переносимая теплота химических реакций, а какой – сам ток. Поэтому было решено ставить опыты с индукционным током. Так был открыт закон, называемый теперь законом Джоуля – Ленца (в 1842 независимо этот закон был открыт русским физиком Э.Х.Ленцем). Согласно этому закону, количество теплоты, выделяющейся в проводнике с током, пропорционально сопротивлению проводника и квадрату силы тока.

Изучая тепловые действия токов, Дж. Джоуль в 1843 году пришёл к убеждению в существовании предсказанной Юлиусом Майером определённой зависимости между работой и количеством теплоты и нашёл численное соотношение между этими величинами — механический эквивалент теплоты, равный 424,3 кг см / ккал.

Количественное доказательство было дано Джоулем в ряде классических опытов. Он помещал в сосуд с водой соленоид с железным сердечником, вращающийся в поле электромагнита. Джоуль измерял количество теплоты, выделявшееся в результате трения в катушке, в случаях замкнутой и разомкнутой обмотки электромагнита. Сравнивая эти величины, он пришёл к выводу, что выделяемое количество теплоты пропорционально квадрату силы тока и создаётся механическими силами. Далее Джоуль усовершенствовал установку, заменив вращение катушки рукой на вращение, производимое падающим грузом. Это позволило связать величину выделяемого количества теплоты с изменением энергии груза.

Работе Джоуля относительно теплоты, электричества и механической работы не придавали большого значения вплоть до 1847 года. На его работу обратил внимание Вильям Томсон. (Томсон, который позже стал известен как лорд Кельвин, был известным учёным, который также был посвященным христианином).

Несмотря на то, что в то время ему было всего лишь 23 года, Томсон уже был профессором физики в университете в Глазго. Томпсон признал, что работа Джоуля вписывалась в объединяющую модель, которая уже тогда начинала появляться в физике, и он с восторгом одобрил работу Джоуля. (Фактически, работа Джоуля сделала существенный вклад в процесс объединения отдельных разделов физики.)

Знаменательная встреча произошла в Альпах, где Джеймс и Эмили проводили медовый месяц. По дороге супруги совершенно случайно встретили Томсона, который ехал в горы на отдых. Трудно сказать, насколько рада была этой встрече Эмили – ведь ученые тут же занялись исследованиями, в частности, продолжая изучение тепловых явлений, приложили немало усилий, чтобы определить разницу температур воды в верхней и нижней части водопада Каскад де Саланш. Правда, Томсон позже писал, что жена его коллеги питала к подобной деятельности живой интерес.

Сотрудничество двух выдающихся ученых своего времени оказалось очень плодотворным. Например, совместно они пришли к выводу, что метеор – это явление, связанное с сильным нагреванием и воспламенением тела, с громадной скоростью входящего в атмосферу. Помимо активной переписки, в ходе которой Джоуль и Томсон обменивались идеями, они провели и немало совместных исследований.

Позже Томсон писал: «На встрече в Оксфорде я познакомился с Джоулем, и это знакомство вскоре перешло в дружбу, которая продолжалась на протяжении всей жизни».

Другими учёными, которые с энтузиазмом одобрили работу Джоуля, были Майкл Фарадей и Джордж Стоукс. Они также были христианами. Одобрение нескольких выдающихся учёных открыло дверь для Джоуля, которая раньше была для него закрытой. Королевское Научное Общество готовилось пересмотреть своё отношение к работе Джоуля. В 1849 году, на слушании Королевского Научного Общества Джоуль прочитал свою работу под названием "О механическом эквиваленте теплоты" вместе с Фарадеем, который был его поручителем. В следующем году Королевское Научное Общество опубликовало материалы Джоуля, и он был избран членом этого престижного общества.

Принцип сохранения энергии, лежащий в основе работы Джоуля, положил начало новой научной дисциплине, известной как термодинамика. Несмотря на то, что Джоуль не был первым учёным, который предложил этот принцип, он был первым, кто продемонстрировал обоснованность этого принципа. И хотя Томсон и ряд других учёных позже внесли огромный вклад в термодинамику, Джоуль по праву считается главным основателем термодинамики. Он показал, что "работа может превращаться в теплоту с четким соотношением работы к теплоте, и что теплоту можно обратно преобразовать в работу".

В течение 1837-1847 гг. Джоуль все свободное время посвятил разнообразным экспериментам по превращению различных форм энергии механической, электрической, химической, в тепловую энергию. Он разработал термометры, измерявшие температуру с точностью до одной двухсотой градуса, что позволило ему проводить измерения с наилучшей для того времени точностью.

Принцип сохранения энергии Джоуля лёг в основу первого закона термодинамики. Этот закон говорит о том, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, но её можно изменять из одной формы в другую.

Обычно опыты Джоуля отличались обычно простотой идеи, но содержали какую – нибудь изюминку.

Джоуль, работая с Уильямом Томсоном, по сути, стал прародителем всех холодильников и холодильных установок. Он доказал, что расширения газа без выполнения работы приводит к существенному снижению его температуры. Этот эффект назвали в честь обоих ученых – эффект Джоуля-Томсона.

Открытием этого эффекта Джоуль внёс большой вклад в кинетическую теорию газов. Было доказано, что теплота не является веществом, что она состоит в движении частиц. Это содействовало признанию закона сохранения и превращения энергии.

Юлиус Роберт Майер сделал в своей жизни одно открытие, но оно обессмертило его имя: он первым обосновал один из самых фундаментальных законов природы - закон сохранения и превращения энергии.

У Майера было спокойное детство в семье аптекаря, трудные студенческие годы. Получив диплом доктора медицины, он в качестве судового врача отправляется в захватывающее путешествие в Индонезию на голландском судне. Сделанное во время плавания открытие он оформил в виде статьи, которая пролежала в редакции до 1881 г. и появилось в свет уже после смерти Майера.

Мир узнал о новом законе из публикаций Джоуля и Гельмгольца. Одинокому, жившему в провинции Р. Майеру пришлось защищать свой приоритет перед Джоулем, считавшим себя первооткрывателем закона. Он писал: "Я убеждён, что Джоуль сделал свои открытия о теплоте и силе, не зная моих, и признаю, что многочисленные заслуги этого известного физика внушают мне большое к нему уважение; но тем не менее я полагаю, что могу с полным правом снова повторить, что закон эквивалентности теплоты и живой силы, с его численным выражением, опубликовал впервые я (в 1842г)".

В родном городе Майер подвергался травле и насмешкам. Майер выдвинул проблему фотосинтеза, которая была блестяще решена К.А. Тимирязевым. Тимирязев откликнулся на смерть Майера с гневным обвинением тех, кто мучил и преследовал его "за то только, что он был гениальным учёным в среде окружающей его жалкой посредственности".

Майер в 1842 г., исходя из теоретических соображений, высказал предположение, что должно существовать прямое количественное соотношение между теплотой и механической энергией. Свою первую работу на эту тему Джоуль опубликовал в 1843 году.

Интерес к этой теме впервые возник у Джоуля после знакомства с электрическими машинами, которые только что были изобретены. Джоуль был человеком практического склада ума. Его увлекала идея создать вечный источник энергии. Он изготовил вольтову батарею, запустил от неё примитивный электрический двигатель собственной конструкции и увидел, что получить нечто из ничего не удаётся: цинк в батарее съедался, и замена его обходилась довольно дорого. Позже Джоуль доказал к собственному удовольствию, что прокормить лошадь всегда дешевле, чем менять цинк в батареях, так что лошадь никогда не будет вытеснена электродвигателем. Это побудило его исследовать связь между теплотой и энергией всех видов, и он решил выяснить, существует ли точное количественное соотношение между теплотой и механической энергией. Джоуль посвятил этой идее большую часть своей жизни. Он сумел приближённо оценить механический коэффициент теплоты из опытов Румфорда, который зафиксировал, насколько повысилась температура известной массы вещества, когда с помощью лошадиной упряжки сверлили металл пушечного ствола тупым сверлом. Более точный результат был получен Джоулем в опыте по перемешиванию воды стержнем с лопатками.

В 1847 году Джоуль женился на Амелии Граймс, вскоре у них появились сын и дочь. В 1854 году Джоуля постигла тяжелая утрата — скончались его жена и единственный сын. Ученый был буквально раздавлен горем. На несколько лет он удалился в свое поместье и жил там практически в полном одиночестве. Лишь несколько друзей посещали его дом, не давая замкнуться в себе.

Всю оставшуюся жизнь Джеймс Джоуль оставался вдовцом.

Вскоре после этого семья Джоуля продала пивоваренный завод. В то время Джоуль жил относительно уединенно. Именно тогда он смог больше времени посвящать научной работе.

В 1850-е годы Джоуль публикует большую серию статей о совершенствовании электрических измерений, предлагая конструкции вольтметров, гальванометров, амперметров, обеспечивающие высокую точность измерений; в целом в течение всей научной практики Джоуль уделял значительное внимание экспериментальной технике, позволяющей получать высокоточные результаты.

В 1860-е годы он интересуется природными явлениями, предлагая возможные объяснения природы атмосферных гроз, миражей, метеоритов.

Виток борьбы за приоритет открытия закона сохранения энергии произошёл в 1860-е годы, когда закон получил всеобщее признание в научной среде. Тиндаль в 1862 году в публичной лекции показывает приоритет Майера, и на его точку зрения становится Клаузиус. Тэт, известный пробританскими патриотическими взглядами, в серии публикаций настаивает на приоритете Джоуля, не признавая за работой Майера 1842 года физического содержания, ему оппонирует Клаузиус, а философ Дюринг, одновременно принижая значение работ Джоуля и Гельмгольца, активно настаивает на приоритете Майера, что во многом послужило окончательному признанию приоритета Майера.

На протяжении восьми лет Джоуль вместе с Томсоном работали над несколькими важными экспериментами для подтверждения некоторых предсказаний в новой научной области, термодинамике. Наиболее известные эксперименты касались снижения температуры, связанного с расширением газа без выполнения внешней работы. Это охлаждение газов, которое происходит по мере их расширения, известно как "Эффект Джоуля-Томсона". Этот принцип лёг в основу развития холодильной промышленности.

Он опубликовал 97 научных работ, причём 20 из них - совместно с У.Томсоном.

Джоуль вошёл в число крупнейших английских физиков, благотворительные фонды наперебой предлагали ему денежную помощь, его приглашали преподавать в лучшие университеты. Однако здоровье продолжало ухудшаться. Из-за постоянной болезни горла он не мог преподавать. Кроме того, вскоре Джоуль начал слепнуть и почти полностью оглох. В 1878 году конкуренты разорили его, и отцовскую фабрику пришлось продать за долги. Джоуль остался практически без средств к существованию. Учёному с мировым именем было буквально не на что купить себе хлеба. К счастью, английским физикам удалось выхлопотать для него пожизненную пенсию от английской королевы в 215 фунтов.

Но восстановить здоровье уже было нельзя. Джоуль почти перестал работать, а последние десять лет провел в своем доме прикованный к постели.

Умер он 11 октября 1889 г. в местечке Сейл близ Манчестера. Джоуль покоится на кладбище в Манчестере, и на надгробном памятнике выбито число 772,55. Это полученное в эксперименте 1878 года значение механического эквивалента тепла. Такую работу, выраженную в футо-фунтах, надо будет потратить, чтобы поднять температуру одного фунта воды с 60 до 61 градуса по Фаренгейту на уровне моря.

В том же 1889 г. на II Международном конгрессе электриков была принята единица энергии Джоуль, равная работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы 1 ньютон на расстояние 1 метр. В 1961 г. была введена международная система единиц СИ, единица работы и энергии по праву была названа его именем. Таким образом, 1 Дж = 1 Н·м=1 кг·м²/с². В электричестве джоуль означает работу, которую совершают силы электрического поля за 1 секунду при напряжении в 1 вольт для поддержания силы тока в 1 ампер.

На счету Джоуля такие открытия, как закон, описывающий тепловое воздействие электрического тока (закон Джоуля – Ленца); вычисление скорости движения молекул газа и установление её зависимости от температуры; формулировка первого закона термодинамики; создание абсолютной шкалы температуры. Списком открытий Джоуля можно занять десяток строчек, но первым пунктом во всех энциклопедиях значится экспериментальное обоснование закона сохранения энергии. В самой простой формулировке он звучит так: невозможно существование вечного двигателя, который совершает работу, не черпая энергию из какого-то источника.

Среди наград и почестей, которых был удостоен учёный, – золотая медаль Лондонского королевского общества (1852), медаль Копли (1866), медаль Альберта (1880). В 1872 и 1877 гг. Джоуль был избран президентом Британской ассоциации по распространению научных знаний. В 1970 г. Международный астрономический союз присвоил имя Джеймса Джоуля кратеру на обратной стороне Луны.

• Учителем Джоуля был Вильям Стерджен, который 23 мая 1825 года сообщил об изобретении им электромагнита. Джоуль писал, что Стерджен был высокого роста и хорошо сложен, обладал благородной внешностью и приятными манерами. Умер он в 1850 году, не получив за своё великое изобретение ни богатства (он жил в бедности), ни славы. На его могильной плите выбито: «Здесь лежит изобретатель электромагнита».

Экспериментируя с электромагнитом своего учителя, Джоуль в 1825 г. сумел увеличить его подъёмную силу от 3,6 кг до 20 килограмм. В ноябре 1840 г. Джоуль создал магнит собственной конструкции, который удерживал на весу груз в 1,3 тонны.

• Ленц внес большой вклад в изучение науки о Земле, сделав вывод о первостепенном влиянии солнечной радиации на процессы, происходящие в атмосфере планеты. Задолго до изобретения осциллографа ученому удалось создать коммутатор, позволивший ему первым в мире снять фазовые кривые тока намагничивания и показать их как синусоиды. Студентом Ленца в Главном педагогическом институте был выдающийся химик Дмитрий Иванович Менделеев, на становление личности которого он оказал большое влияние. В числе его учеников были К.А. Тимирязев, П.П. Семенов-Тян-Шанский, Ф.Ф. Петрушевский, А.С. Савельев, М.И. Малызин, Д.А. Лачинов, М.П. Авенариус, Ф.Н. Шведов, Н.П. Слугинов. Эмиль Христианович был членом научных обществ многих европейских государств, в том числе Туринской и Берлинской академии наук. Несмотря на то, что Ленц всю жизнь прожил в Российской империи, он так и не выучил русский язык, что ему не помешало стать основателем отечественной школы электротехники.

Совместно с Борисом Семеновичем Якоби Ленц впервые разработал методы расчета электромагнитов в электрических машинах, установил существование в последних «реакции якоря». Открыл обратимость электрических машин. Кроме того, он изучал зависимость сопротивления металлов от температуры.

• Брат Эмилия Ленца Роберт Христианович стал известным востоковедом, а сын, также Роберт, пошёл по стопам отца и стал физиком.

• Ленц был исключительно разносторонним ученым. Он писал учебники физики для средних школ, работал над гальваническим золочением купола Храма Спасителя в Москве и над проблемой электрического освещения Невского проспекта в Петербурге. Ленц был физиком в самом широком смысле этого слова. Он не замыкался на изучении отвлеченных вопросов «чистой науки», а всегда стремился применить результаты своих исследований для практических целей.

• Академик П.П.Лазарев: «...Одно только открытие закона сохранения энергии в той блестящей форме, как это было выполнено Гельмгольцем, обеспечило на целое столетие определённое направление физики. Физика прошлого столетия проходит под флагом закона сохранения энергии и её превращений. Этот выдающийся немецкий учёный и мыслитель, не только внёс вклад практически во все разделы физики, но и объединил отдельные области естествознания – физику, механику, физиологию, физическую химию.»

• Первая медаль имени Гельмгольца была вручена самому юбиляру, а следующие – К.Вейерштрассу, Р.Бунзену, В.Томсону.

• По зависти противников можно, в известной степени, судить о размерах собственного успеха.

• Кто раз пришел в соприкосновение с человеком первоклассным, у того духовный масштаб изменен навсегда - тот пережил самое интересное, что может дать жизнь.

• Счастливые проблески мысли, нередко вторгаются в голову так тихо, что не сразу заметишь их значение… Мысль охватывает внезапно. Она никогда не рождается в усталом мозгу и за письменным столом. Часто она проявляется рано утром при пробуждении, особенно охотно приходит она в часы неторопливого подъема по лесистым горам в солнечный день.

• Из всех органов чувств человека глаз всегда признавался наилучшим даром и чудеснейшим произведением творческой силы природы.