ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ

В связи с открытием фундаментального физического явления – электромагнитной индукции, на основе которого получили развитие многие ветви современной электротехники, уместно рассмотреть здесь историю другого, еще более значительного открытия – закона сохранения и превращения энергии [1.1; 1.6].

Ученые и практики всех времен обращались к исследованиям различных энергетических процессов и предпринимали попытки обобщений, в которых содержались элементы формулировки закона сохранения и превращения энергии. Если обратиться к истории открытия закона, то термин «энергия» появился лишь на последнем этапе истории великого закона. Кроме того, необходимо учесть, что основные достижения физики, химии и биологии, позволившие сделать действительное обобщение, стали известны только с начала XIX в.

Еще мыслители древности (Демокрит, Эпикур) утверждали вечность и неуничтожимость материи и движения. Повседневная практическая деятельность требовала познаний законов движения, прежде всего единственно известного – механического. И поэтому не случайно, что закон сохранения энергии начинал выкристаллизовываться в рамках механики. В 1633 г. в «Трактате о свете» идея сохранения движения была сформулирована известным французским ученым Рене Декартом (1596–1650 гг.): «Когда одно тело сталкивается с другим, оно может сообщить ему лишь столько движения, сколько само одновременно теряет, а отнять от него лишь столько, на сколько увеличит собственное движение». Эта идея получила дальнейшее развитие у немецкого ученого Готфрида Вильгельма Лейбница (1646–1716 гг.) в его законе сохранения живых сил.

После классических работ Исаака Ньютона (1643–1727 гг.) и Готфрида Лейбница принцип сохранения движения получил четкую формулировку в трудах М.В. Ломоносова, который решился объединить два принципа сохранения: движения и материи. Именно М.В. Ломоносову принадлежит открытие закона сохранения вещества, которое затем совершенно независимо от него повторил французский ученый Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794 гг.). В 1744 г. М.В. Ломоносов написал ставшие знаменитыми слова «Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Так в середине XVIII столетия М.В. Ломоносовым был четко сформулирован закон сохранения массы и движения как всеобщий закон природы [1.10]. Более того, первая часть его выражения («все перемены в натуре случающиеся …») сформулирована так широко, что если бы эти слова были написаны 100 лет спустя, когда стали известны другие «перемены в натуре» – многочисленные взаимные преобразования энергии (электрической, тепловой, химической, механической), то другие формулировки закона сохранения и превращения энергии и сохранения материи были бы излишни. Но, к сожалению, и эпоха была еще не та, и научные труды М.В. Ломоносова почти 150 лет оставались неизвестными.

Чтобы можно было осмыслить качественные превращения энергии из одной ее формы в другую, должны были сложиться необходимые и достаточные научно‑технические предпосылки. Важнейшими среди этих предпосылок явились развитие учения о теплоте и теплотехническая практика. Известно, какую роль в развитии человека на заре его истории сыграл огонь. В процессе трудовой деятельности человек научился добывать огонь трением. В получении огня трением уже проявлялось качественное преобразование механической энергии в тепловую.

Установлению взаимосвязей между механической и тепловой энергией длительное время объективно препятствовала теория теплорода. Считалось, что теплород выдавливается из вещества при его сжатии, например, при сжатии газа, как сок из апельсина. Гениальные мысли М.В. Ломоносова о молекулярном движении как источнике теплоты, о кинетической природе теплоты в более широком смысле оставались вне поля зрения широкой научной общественности. Наиболее ощутимый удар по теории теплорода уже в эпоху паровых машин (1798 г.) нанесли опыты американца Бенджамина Томпсона (1753–1814 гг.), более известного в Европе под титулом графа Румфорда. При сверлении орудийных стволов в г. Мюнхене Румфорд наблюдал выделение теплоты, что, впрочем, было всем известно. Однако Румфорд сумел показать, что при этом может выделиться практически неограниченное количество теплоты. В своих опытах он принимал меры к изоляции сверла и ствола с тем, чтобы исключить поступление теплорода, этой «субстанции теплоты», откуда‑либо извне.

Но еще примерно 30 лет после опытов Румфорда теория теплорода, подправляемая и уточняемая, продолжала занимать господствующее положение в объяснениях причины возникновения теплоты. Существенно важной для понимания факта превращения одного вида движения (например, механического) в другой (например, тепловое) была мысль об эквиваленте, в частности о механическом эквиваленте теплоты.

Драматизм истории открытия закона сохранения и превращения энергии состоял в том, что практически до момента полного признания этого закона почти каждое предшествующее открытие, подтверждающее его справедливость, либо не публиковалось, либо на него не обращали должного внимания, либо оно просто встречалось в штыки официальной наукой.

Соответствующие труды М.В. Ломоносова до 1904 г. находились в забвении, а будучи в свое время опубликованными в России, не проникли в лаборатории Запада. Румфорд, поколебав устои теории теплорода, не смог ее низвергнуть, не найдя доказательств эквивалентности превращения механического движения в теплоту. Двадцативосьмилетний талантливый французский инженер Сади Карно (1796–1832 гг.) [1.1] опубликовал в 1824 г. замечательную работу «Размышление о движущей силы огня и о машинах, способных развивать эту силу», в которой изложил то, что впоследствии стали называть вторым началом термодинамики, или «принципом Карно». Но более поздние исследования, в которых С. Карно отказался от теории теплорода и определил впервые механический эквивалент теплоты, своевременно не были опубликованы, и рукописи его стали известны лишь в 1878 г.

В приложении к своей единственной книге С. Карно писал: «Тепло – это не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тел. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно, всегда при исчезновении теплоты возникает движущая сила». По измерениям С. Карно механический эквивалент теплоты составил 370 кг∙м (напомним, что это значение составляет 427 кг∙м, или 4186 Дж).

Теоретические исследования С. Карно отвечали на конкретный вопрос, поставленный развивающейся промышленностью, как сделать тепловой двигатель более экономичным. С. Карно исходил из убеждения о невозможности осуществления вечного двигателя. Но и на его работы современники не обратили того внимания, которого эти работы заслуживали.

Исследования химических, тепловых и механических действий электрического тока, открытие явления электромагнитной индукции в первые 40 лет XIX в. послужили второй важной предпосылкой к открытию закона сохранения и превращения энергии.

В 1836 г. М. Фарадей сформулировал два закона электролиза, которыми установил связи между количеством электричества и химическими свойствами вещества.

Великий английский физик совершенно определенно подчеркивал необходимость установления эквивалентов между различными видами энергии, или, по терминологии того времени, между различными силами. Он писал: «Мы имеем много процессов, при которых внешняя форма силы может претерпевать такие изменения, что происходит явное превращение ее в другую. Так, мы можем превратить химическую силу в электрический ток, а электрический ток в химическую силу. Прекрасные опыты Т. Зеебека и Ж. Пельте показывают взаимную связь теплоты и электричества, а Г. Эрстеда и мои собственные показывают превращаемость электричества и магнетизма. Но ни в одном случае, даже с электрическим угрем и скатом, нет производства силы без соответствующего израсходования чего‑либо, что питает ее». В своем дневнике в 1837 г. М. Фарадей записал: «Нужно сравнить количество материальных сил (т.е. сил электричества, тяготения, химического сродства, сцепления и т.д.), где возможно дать выражение для их эквивалентов в той или иной форме».

Важную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии сыграли труды Э.Х. Ленца и, в частности, открытие им закона о направлении индуцированного тока и принципа обратимости электрических машин [1.1; 1.6; 2.9; 2.10]. Важной предпосылкой к открытию закона сохранения и превращения энергии явились успехи биологии. Развеивался миф об особой «жизненной силе» в организмах человека и животных. Была установлена прямая связь между количеством потребляемой пищи и способностью производить работу.

40‑е годы XIX столетия – время широких обобщений. Решающую роль в установлении закона сохранения и превращения энергии история отводит немецким ученым Роберту Майеру (1814–1878 гг.) и Герману Гельмгольцу, а также английскому физику Джеймсу Джоулю (1818–1889 гг.) [1.1; 1.6].

Р. Майер был судовым врачом на голландском корабле, когда в 1840 г. «внезапно» ему пришла в голову мысль о законе сохранения и превращения энергии. Слово «внезапно» взято в кавычки недаром: о внезапном озарении писал впоследствии Р. Майер, но может ли быть внезапным открытие, предпосылки которого были хорошо известны выпускнику Тюбингенского университета? Внезапным был для Р. Майера исходный толчок: он обратил внимание на то, что было хорошо известно врачам, работающим постоянно в тропических широтах. Во время стоянки корабля на Яве заболел матрос, и Р. Майер, как тогда было принято, «пустил ему кровь», вскрыв вену. Каково же было его удивление, когда он увидел, что венозная кровь была не столь темной, как в умеренных широтах. Р. Майер понял, что при высокой средней температуре воздуха для поддержания жизнедеятельности и необходимой температуры организма требуется меньше питательных веществ и меньшее «сгорание» последних. Сопоставление многочисленных научных фактов из области химии, физики и биологии привело его к тому, что мысли, согласно выражению Р. Майера, пронзившие его, подобно молнии, навели на вывод о существовании всеобщего закона природы [2.11].

В 1841 г. Р. Майер написал статью «О количественном и качественном определении сил», но редактор известного в Европе физического журнала не счел нужным ее напечатать. Рукопись статьи была обнаружена в архивах редакции и опубликована лишь в 1881 г., т.е. 40 лет спустя. Следующая статья «Замечания о силах неживой природы» была опубликована в 1842 г. В этой работе Р. Майер много внимания уделяет взаимопревращениям механической работы и теплоты, не зная о соответствующем исследовании С. Карно, определяет механический эквивалент теплоты (по его данным, он равен 365 кг∙м/ккал), говорит о «неразрушимости» сил и формулирует свой принцип. Здесь же Р. Майер впервые в истории науки вкладывает в понятие «сила» смысл «энергия», не произнося еще этого слова (впрочем, слово было произнесено раньше; этим словом английский физик Томас Юнг (1773–1829 гг.) обозначил величину, пропорциональную массе и квадрату скорости движущегося тела).

Идеи Р. Майера носили столь общий и универсальный характер, что они сначала не были восприняты современниками. Его жизнь превратилась в непрерывную борьбу за утверждение своего принципа.

Классические измерения механического эквивалента теплоты провел в 1841–1843 гг. (опубликовано в 1843 г.) Д. Джоуль. По его данным, этот эквивалент составлял 460 кг∙м/ккал. Д. Джоуль также установил независимо от Э. Ленца связь между электрическим током и выделяемой теплотой (закон Джоуля – Ленца). Интересно отметить, что работу Д. Джоуля Британское общество (так называется Британская академия наук) отказалось опубликовать в полном объеме, требуя от него все новых экспериментальных уточнений.

Наконец, Г. Гельмгольц в 1847 г. в работе «О сохранении силы» дал в наиболее общем виде закон сохранения, показав, что сумма потенциальной и кинетической энергии остается постоянной. Г. Гельмгольц вывел выражение электродвижущей силы индукции исходя из закона сохранения энергии. Там же впервые дана математическая трактовка закона. Завершением длительного пути, пройденного наукой до точной формулировки закона сохранения энергии, можно считать доклад У. Томсона «О динамической теории тепла» (1851 г.).

У. Томсон в 1860 г. ввел в науку термин «энергия» в современном его смысле. К такому же толкованию термина «энергия» пришел в 1853 г. известный шотландский физик Уильям Джон Макуорн Ренкин (Ранкин) (1820–1872 гг.) – один из создателей технической термодинамики.

Изложение истории открытия закона уместно закончить словами выдающегося английского физика и общественного деятеля Джона Димонда Бернала (1901–1971 гг.), написанными 100 лет спустя: «Закон сохранения энергии … был величайшим физическим открытием середины XIX в. Он объединил много наук и находился в исключительной гармонии с тенденциями времени. Энергия стала универсальной валютой физики – так сказать золотым стандартом изменений, происходивших во вселенной…. Вся человеческая деятельность в целом – промышленность, транспорт, освещение и, в конечном счете, питание и сама жизнь – рассматривалась с точки зрения зависимости от этого одного общего термина – энергия» [2.12].